無源無線智能測溫系統的設計與應用

孫洪喜，鄔立春

（軟控股份有限公司，山東 青島 266045）

溫度是電力設備運行的重要參數[1-5]。目前，包括輪胎企業在內的大多數生產制造企業依然采用人工巡檢制度檢測溫度是否超標。人工巡檢工作量大、周期長，間隔時間至少為2 h。在人工巡檢間隔時間內，無法及時獲知開關柜進出線節點電流異常和溫度過熱，從而存在火災隱患。

目前輪胎企業主流的測溫方案為傳統的有線測溫和無線智能測溫。有線測溫是輪胎企業傳統的測溫方案，周期長、施工復雜、效率低、不易管理，發生故障時需耗費大量人力和物力分析、排查與重新鋪設線纜。無線智能測溫能夠規避有線測溫的缺點，無需更換電源和布線，施工難度低、安全性和精度高、功耗小、靈活，易使用和維護。

本工作介紹無源無線智能測溫系統的設計與應用，為輪胎企業選用適宜的測溫方案提供指導。

1 測溫方案對比

輪胎企業常用的幾種測溫方案見表1。從表1可以看出，無源無線是最佳的測溫方案。該方案可以24 h不間斷檢測關鍵節點的溫度，溫度過高時可以及時預警，提醒設備維護人員進行預防，從而避免發生火災；實時監控的預警機制既可以降低人工成本，又可以避免事故。無源無線智能測溫系統必將成為輪胎企業未來主流的測溫方案，其設計必須遵循嚴格的規則。

表1 輪胎企業常用的幾種測溫方案

2 設計方案

2.1 設計原則

無源無線智能測溫系統的設計基于單片機控制原理，遵循如下原則。

（1）協議兼容：開發底層數據采集轉換器，兼容不同溫度傳感器的數據轉換格式，功能平臺配置兼容不同溫度傳感器的系統。

（2）實時監控：設定標準，實時監控溫度數據，對異?，F象及時報警。

（3）操作簡單：Web功能平臺采用最新的Windows圖形界面，支持Windows XP/Vista/7/8/10/Server操作系統，可用純鍵盤和鼠標操作。

（4）易于擴充：保證系統的開放性與可擴充性，方便業務的擴展和系統擴容，適應輪胎企業未來發展需要。

（5）穩定性：系統穩定可靠，支持24×7 h運行，誤差范圍≤1 ℃。

（6）分布式：各節點獨立計算自己的位置[6]，網絡拓展時靈活，節點之間不產生干擾。

（7）數據安全保密：支持MS SQL Server/Oracle數據庫，數據加密以保證安全。采用嚴格的權限管理，杜絕未經授權的訪問。

2.2 設計架構

無源無線智能測溫系統設計遵循國際標準ISA-95，采用模塊化和平臺化設計，設計架構分為傳感層、傳輸層、數據層和展示層（見圖1）。

圖1 無源無線智能測溫系統設計架構

（1）傳感層：部署無源傳感器，分布到變電站各關鍵節點，并部署感知節點，實時獲取傳感器信號并轉化為數字信號。

（2）傳輸層：將溫度通過以太網（Ethernet）等有線網絡或通用分組無線服務技術（GPRS）傳輸到服務器上存儲。有線網絡比無線網絡速率快，但僅限于部署易于布線的場所；GPRS適用于空間廣闊、環境惡劣、不易布線的場所。

（3）數據層：部署各節點數據的實時采集，為保證數據的傳輸與存儲效率，本系統采用壓縮算法將數據壓縮傳輸并存儲到服務器中。

（4）展示層：實現數據的實時分析，出現異常時進行預警提示，顯示查詢、預警、報警、故障記錄和統計分析報表，滿足變電站管理與統計需求。完善的統計分析報表可以為輪胎企業節能降耗管理提供數據支持。本系統集成了用電溫度和設備關鍵部位溫度的采集、管理和分析，并對數據進行有效的挖掘分析，可以幫助輪胎企業管理人員獲知設備用電的安全分配方案。

為保證數據能夠及時有效傳輸，減少數據的存儲空間，降低硬件成本，還需對數據進行壓縮傳輸和存儲。

2.3 壓縮算法

基于安全需要，本系統需實時采集現場關鍵點的溫度。由于溫度采集頻率較快（每1～3 s采集1次），數據量大，為了節省存儲空間，本系統采用旋轉門的壓縮算法對數據進行壓縮存儲[7]。該算法結合異常標準報警，可以實現數據的高效存儲?；驹砣缦拢悍治霎斍皵祿c與前一個被保留的數據點所構成的壓縮偏移覆蓋區來取舍數據。如果壓縮偏移覆蓋區可以覆蓋兩者之間的所有點，則不保留該數據點；如果有數據點落在壓縮偏移覆蓋區之外，則保留當前數據點的前一個點，并以最新保留的數據點作為新的起點。當前數據點如果超出報警標準，則保留該數據點，但不作為壓縮存儲的節點。

為了通過采集的數據快速判斷、報警、顯示和分析，本系統采用內存式數據庫，將數據存儲在內存中，同時采用線程對數據進行壓縮。壓縮原則是超出標準的異常數據全部保存，對正常范圍內的數據進行高度壓縮。經該算法壓縮保存后，本系統在設定精度范圍內根據曲線擬合度恢復數據。根據客戶對數據敏感度的要求，本系統可以結合采集數據的實際情況設定不同的壓縮精度，從而形成較精準的數據壓縮存儲機制。數據存儲到服務器中可以實現永久存儲，本系統可以隨時提取分析數據。

2.4 功能模塊

無源無線智能測溫系統分為參數設置、數據采集、數據分析、系統管理四大功能模塊，見圖2。參數設置模塊可對系統參數進行設置；數據采集模塊實現數據的實時采集；數據分析模塊實現數據的預警與報表分析；系統管理模塊對權限進行嚴格控制，避免無權限用戶操作本系統。

圖2 智能測溫系統功能模塊

（1）參數設置。①端口參數設置：設置傳感器的端口、GPRS和網絡傳輸的端口號等端口參數。②系統參數設置：設置采集頻率、數據庫IP地址、端口號、用戶名、密碼、壓縮算法和壓縮系數等系統參數。

（2）數據采集。①設備管理：管理各采集節點信息，形成設備節點臺賬，并根據管理情況進行分組管理。②協議設置：根據采集點參數配置實際采用的通訊協議，并且進行通訊配置。③數據采集：實現傳感器數據的轉換采集，并且將數據采集到服務器存儲。④壓縮管理：設置壓縮數據的算法和壓縮比率、壓縮質量等信息；根據設置參數對數據進行壓縮存儲。

（3）數據分析。①曲線分析：將采集的數據形成趨勢分析曲線，標注異常點，實現溫度實時的監控分析。②數據報表分析：根據時間等查詢條件對歷史數據進行查詢，按客戶需求進行不同維護的報表分析，為企業管理提供數據支持；實現工廠內各項溫度數據的實時采集和統計分析等管理需求。③報警分析：對于異常數據及時形成報表，以郵件和短信等形式進行發送。④預警管理：對大型設備和關鍵部件溫度進行監控，異常預警報警，保證設備使用安全，對于報警等及時發送到相關責任人，實現無人巡檢管理模式。

3 應用分析

無源無線智能測溫系統屬于遠距離、無源無線、分布式實時監控系統，可以實現電網和變電站等溫度檢測，除了輪胎企業以外，也適用于大型戶外設備、易燃易爆等危險場所以及無法靠近的高壓線和電纜等。本系統部分應用場景見圖3—5。

圖3 輪胎生產測溫

圖4 高壓電測溫

圖5 高壓鍋爐測溫

4 結語

基于物聯網和生產過程執行系統的實踐經驗，結合高校及科研院所的專業技術，我公司研發無源無線測溫系統。本系統徹底改變了傳統有線測溫系統的工作方式與管理模式，可以實時監測溫度，異常預警報警，大幅降低了斷電故障，減小了輪胎企業80%的巡檢工作量，提高了管理效率，值得在輪胎企業中推廣。