分布式光纖測溫預警系統的應用

于廣年　王崇志

（1.營口港務集團第二分公司；2.營口港務集團第三分公司，遼寧　營口　115007）

分布式光纖測溫預警系統的應用

于廣年1王崇志2

（1.營口港務集團第二分公司；2.營口港務集團第三分公司，遼寧營口115007）

介紹了分布式光纖測溫預警系統的技術原理及在營口港二公司煤炭碼頭皮帶機的應用。通過監測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設備運行狀態，進行安全監測，及早發現安全隱患,合理安排檢修工作避免安全事故發生。

分布光纖測溫預警系統 ； 皮帶機； 電機；托輥；應用

皮帶機作為煤炭碼頭裝卸主要設備，因其工作量大及工作環境惡劣，依靠人工進行巡檢很難發現設備安全隱患。因此，對皮帶機電機、滾筒和托輥的安全監測是非常必要的。

隨著光纖測溫技術的發展，已經能夠用光纖測溫技術實現溫度、電流、電壓、磁場等物理量監測。光纖測溫技術采用的探測光纖具有體積小、重量輕、結構簡單、使用方便、耐高壓高溫和抗電磁干擾的特點，系統安全可靠，在長距離測試中具有高靈敏度。

分布式光纖測溫預警系統不僅具有普通光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點溫度的分布式傳感能力，光纖既是傳輸信息的導體，又是分布測量的傳感器。它能夠連續自動測量光纖沿線所在處的溫度，測量距離最大在10km范圍，空間定位精度達到1m的數量級，特別適用于需要大范圍多點測量的場所。

分布式光纖測溫預警系統為港口輸煤系統中皮帶機的安全生產提供了一系列集可視化、智能化、無人化于一體的數字化在線檢測方案。

一、系統簡介

1．分布式光纖測溫預警系統原理

光纖測溫的機理是依據后向拉曼(Raman)散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用,發生散射。拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，產生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現對光纖沿線溫度場的分布式測量（圖1）。

圖1

2.分布式光纖測溫預警系統組成

分布式光纖測溫預警系統由測溫主機和探測光纜兩部分組成。

（1）主機。

①整條光纖既傳輸信號又感應被測量。

②在長距離內能得到高精度的溫度數據。

③測溫速度快且精度高，可用圖表形象、直觀地呈現數據。

④兼容性強。開放式通信結構，可與第三方網絡（以太網、OPC、SCADA等）可靠方便的連接，具有靈活的遠程控制和數據輸入、輸出功能。

⑤內置PC。專門開發的應用軟件通過易于理解的直觀圖表向操作人員提供數據。

⑥警報設置齊全。智能警報類型和配置可以根據每個項目量身定制，向操作人員發出當前或者潛在過熱部位及其它不良事件的警告。

主機技術參數見表1。

表1

（2）探測光纜。

BY-SCJKBH1探測光纜是一種多模光纜，光纖表層采用可觸變的芳綸纖維加以保護，外護套為高性能的阻燃PVC材料，光纖被很好地密封以保證不受外界環境的影響，同時光纜具有優良的熱傳導特性、機械性能、防水性能及抗腐蝕特性，可以在惡劣的環境中長期使用。光纖類型及參數見表2。可根據用戶要求定制探測光纜（圖2）。

圖2

二、技術特點

（1）連續分布式的進行溫度在線監測，沒有盲區，沒有漏測點。

（2）根據溫度變化，及時、準確地進行預警。在還沒有發生燃燒的情況下，準確監測出溫度異常位置。

（3）光纜不怕粉塵，又可防雷。現場采用特殊光纜既是傳輸信號的載體又可以測量環境溫度。

（4）固定保護夾具、鋼管經久耐用。

（5）精度高、數據傳輸及讀取速度快，自適應性能好。

（6）系統軟件操作簡單，結合現場實際情況進行界面設計。軟件可以對光纜進行無限的區域劃分，并可以對不同的區域設置不同的報警規則，如定溫報警、快速升溫報警等。

（7）安裝維護簡單、方便。

三、在營口港輸煤系統中皮帶機的應用

1.輸煤系統皮帶監測

能夠了解輸煤皮帶系統的安全情況，及時應對危險，不發生火災或爆炸事故，降低自燃或事故而造成的損失。

輸煤系統皮帶監測內容：監測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化；對比分析不同位置探測光纜安裝的溫度變化特性；分析、判斷報警溫度的設置，通過監測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設備運行狀態，進行安全監測，利于及早發現安全隱患,合理安排檢修工作，避免皮帶打滑磨損造成火災事故發生。

2.實施方案

（1）系統組成（圖3）。

圖3

營口港二公司煤炭碼頭采用1臺10km的DTS主機對10條計2150m皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承溫度進行實時在線監測；敷設了1#變電所和4#變電所測溫系統溫度數據傳輸的專用網絡。DTS主機將實時采集的溫度數據傳送至中央控制室，值機員可通過監控終端實時查看皮帶機電機減速機端、滾筒及托輥軸承運行溫度情況，依據溫度數據判斷皮帶機相關設備的工作狀態，為皮帶機安全監測提供科學的管理手段。

①由1#變電所出來的四通道分別是：第一路（圖3中紫色表示）探測光纜對BX1-2、BX1-1皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監控。第二路（圖3中藍色表示）探測光纜對BX2-2、BX2-1皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監控。第三路（圖3中紅色表示）探測光纜對BX1-3、BX1-4、BX1-5皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監控。第四路（圖3中青色表示）探測光纜分別對BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監控。

②通信光纜通過1#變電所到4#變電所沿途皮帶機的電纜橋架敷設，如圖3中黑色虛線所示。

（2）檢測方案。

①皮帶機滾筒溫度檢測。

用夾具將探測光纜固定在皮帶機滾筒軸端蓋上，對皮帶機滾筒進行溫度監測，一旦皮帶打滑滾筒表面溫度上升，熱量傳遞到皮帶機滾筒端蓋處，系統即可監測到溫升，準確發出預警信號，避免發生皮帶機火災事故（圖4）。

圖4

②承載托輥溫度檢測。

將探測光纜用工裝夾具固定于承載托輥軸兩個夾角處，對托輥進行實時溫度監測。一旦托輥不轉或皮帶出現打滑，托輥表面溫度上升，熱量傳到托滾軸后系統監測到溫升，當達到設定報警溫度值時系統告警。皮帶機托輥支架光纜走線及固定示意圖見圖5，皮帶機桁架槽鋼光纜走線及固定示意圖見圖6。

（3）系統功能。

①圖形數據實時顯示。

實時連續顯示線路上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間變化曲線。可以設置系統軟件在控制計算機的屏幕上以曲線方式顯示整條皮帶機系統各點的溫度分布，也可以設置顯示整條皮帶機長度與滾筒的相對位置分布圖，顯示被測點位置和對應測點的實時溫度值，用戶可以設置過熱報警溫度，將接收的數據以曲線方式顯示，曲線可隨意放大顯示（圖7）。

②控制數據自動存儲。

系統可以自動存儲溫度數據，用戶可以選擇查詢顯示特定測溫點的溫度歷史變化情況，也可以選擇查詢顯示在任意歷史時刻保存的溫度分布情況，以便對設備的運行狀況進行監視，有利于對設備的維護和檢修。

③數據即時報表顯示。

存儲的溫度數據以數據庫的形式存儲，并可以用EXCEL表格形式顯示出來，并同時顯示當前圖形。此時可選擇將數據或圖形打印。

圖5

圖6

圖7

出現報警信號時自動切換到報警總畫面，并顯示故障區域最高溫度。

④報警方式多種多樣。

分布式光纖測溫系統應具有連續測溫功能，能檢測皮帶機沿線溫度變化情況，報警數據可在軟件中設置，每個區域應能設置多種報警類型：最高溫度報警、差溫報警、溫度上升速率報警、局部過熱點報警、光纖破壞報警、裝置異常等報警，不同的區域能獨立報警。報警方式除主控機屏幕顯示基本要求外，具有報警輸出節點。

⑤分區測量貼合實際。

能對測量區域在長度上進行分區，對某些區域進行局部重點監測。對不同的應用環境設定不同的報警溫度和報警級別，更貼合實際應用。

四、結語

隨著港口吞吐量的上升，研發集可視化、智能化、無人化于一身的數字化港口儲運及裝卸設備狀態在線監測技術已經刻不容緩。先進的分布式光纖測溫技術將為港口的生產安全提供更多領域的技術支持和保障，因此，全面發展分布式測溫技術在港口各個領域的應用意義重大。

[1]江毅.高級光纖傳感技術[M].科學出版社.

[2]方祖捷.光纖傳感基礎[M].科學出版社.

[3]李唐軍.光纖通訊原理[M].北京交通大學出版社.

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1671-0711（2015）06-0045-04

（2015-04-03）