溫度傳感器無線傳輸裝置的研制

姜文蘇

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 201400)

0 引言

在工業采礦的掘進機使用中，類似滾筒、齒輪這類旋轉件，都因受力不均而造成設備運行時溫度升高，導致設備損壞事件時有發生，且現有傳統的接線方式根本無法滿足旋轉設備實時溫度監測的功能需求，對此開發研制了一套溫度傳感器無線傳輸裝置，通過該套裝置可實時監測設備在運行時溫度的變化情況，并根據實時溫度參數的變化了解裝備運行狀態，通過測量數據的記錄和分析，可有針對性地對設備進行一定的保養及維護，以提高工作效率，保障機械設施高強度運轉的同時延長機械壽命。

1 常用監測方式存在的問題分析

原始的設備監測技術，是依靠技術員的耳朵、眼睛、手等感官，即純粹依靠技術人員的工作經驗，該監測方式低效、原始、不可靠,且針對大型機械及設備工作環境惡劣的場所，無法進行人工監測。隨著傳感器技術的發展，現代設備監測多采用在設備多個測點安裝傳感器采集運行狀態信息，再經數據傳輸，由專業設備進行數據處理與分析。目前，主流監測模式有以下3種方式：

1) 離線定期監測。離線監測是指通過專業的檢測人員定期到裝置現場，采用在監測機械設備的多個測點安裝傳感器的方法實現監測，記錄下數據信息，再由專業的計算機或便攜機進行數據處理。

2) 在線檢測離線分析。在線監測即主從機監測方式，從機系統執行各測點傳感器數據的采集與處理功能，主機系統再匯總數據、執行數據的分析與判別。

3) 自動在線監測。自動在線監測,即對設備的運轉狀態執行實時監測、現地數據處理分析及及時判斷故障報警及信息顯示、記錄。

針對旋轉機械狀態監測，為實現實時監測機械設施在運轉過程中溫度變化情況的功能需求，離線定期監測的方式不能滿足條件。為順應互聯網時代“萬物互聯”的潮流，針對機械設施現場復雜的使用環境，達到旋轉機械運轉時的實時監控功能，采用自動在線監測方式。該方案無需頻繁地更換測點，能完成在線檢測和實時報警功能；經由一般操作人員依據相關專家經驗及參數標準即可進行機械運轉情況的判定，簡單高效,這就是開發研制了溫度傳感器無線傳輸裝置。

2 溫度傳感器無線傳輸裝置設計思路

2.1 主要原理

設計的該套裝置系統主要采用了多段信號傳輸的方式，其采集裝置與信號接收裝置使用無線傳輸，信號接收裝置與PC利用有線連接,以保障設備運行時信號的穩定傳輸。溫度信號采集裝置采用電池供電，便捷高效，保障裝置的持續性運行。

2.2 裝置的主要功能

1) 設備溫度實時監測。傳感器裝置加裝在旋轉機械設備上，采用電池供電，實時傳輸裝備的溫度變化信息。

2) 就地溫度顯示。通過在信號接收裝置中加入數字顯示模塊，便于現場操作人員掌握設備運轉的狀態信息。

3) 報警查詢模塊。完成旋轉機械設備的實時報警顯示和歷史報警查詢，對比分析能夠給管理員對于裝備出現故障的原因及日常維護給與參考依據。

4) 信號分段傳輸。就地信號采集與接收裝置分開，采用Wi-Fi進行信號傳輸，信號接受端與遠程控制室可采用現場總線形式進行數據交互，保障信號傳輸的抗干擾能力。

5) 遠程顯示。遠程控制室PC端通過數據庫軟件調用顯示信號接受裝置中存儲的內容。

2.3 研制中的難點

1) 信號采集裝置安裝在設備端，保障機械設備高速轉動時裝置的穩定、持續運行。

2) 設計信號接收裝置，編寫就地顯示軟件界面，信號采集與接收采用無線傳輸，信號接收與顯示采用有線連接的方式。設備溫度信號進行分段傳輸，加強信號傳輸的穩定性及抗干擾性能。

3 裝置主要組成

該套裝置主要由旋轉設備的溫度信號采集裝置、就地信號接收裝置、PC端數據分析3部分組成。圖1為溫度信號無線傳輸裝置設計的示意圖。

圖1 總體架構示意圖

3.1 溫度信號采集裝置

信號采集裝置主要由溫度信號采集模塊、信號變送器、供電模塊、信號發送模塊組成。機械設備的溫度信號采集使用PT100溫度傳感器作為主要的測溫元件，變送器將采集到的溫度信號變換成4～20 mA的信號，通過信號發送模塊將數據傳輸給就地信號接收端。設計合理的裝置結構，在裝置內加裝電源模塊，采用電池給整個裝置供電，1～2 a更換一次電池，相較其他供電方式降低了安裝更換難度，適用于復雜工況及實現節能環保的目的。圖2為該溫度信號采集過程示意圖。

1) 測量單元。測溫單元采用PT100鉑電阻進行溫度信號采集，運用其電阻和溫度成特定的函數關系進而來采集溫度信號；其中傳感器電阻與溫度的關系算式為:

Rt=R0(1+A×t+B×t)

(1)

式中：R0為溫度在0℃時鉑熱電阻的電阻值；A、B為分度常數；t為溫度。

將測溫單元安裝在旋轉設備上，在機械設施運行時，實時采集旋轉機械的溫度數據。

2) 信號處理。本次裝置的信號變送器采用直流電信號4～20 mA，穩定的信號傳輸、不容易受干擾，電流源內阻無窮大，回路上串聯的導線電阻不影響精度。由變送器將PT100溫度傳感器采集到的溫度信號變換成4～20 mA標準信號，通過信號發送模塊將數據傳輸給就地信號接收端。

3) 電池供電。信號采集與接收分開，信號采集封裝在一個硬件盒中(自己設計)，配置供電方式，使用電池給溫度信號采集裝置進行供電，每隔15 min采集一次，電池供電時間長達1～2 a，便于更換維護。

后期針對不同設備監測需求加裝不同傳感器，實現對多種模擬量信號(應變、電壓、電流、熱電偶、熱電阻、RTD、電阻)或數字信號(數字信號、脈沖信號、頻率信號、CAN總線、RS-458/232/422)進行測量。

3.2 信號接收裝置

設計信號接收端的裝置結構，通過Wi-Fi進行信號傳輸，接收現場采集裝置發送的設備運行溫度變化狀態數據信號，加裝SD卡將采集到數據進行存儲。設計該裝置具有就地數字顯示功能，便于現場的觀察及設置，可以在現場設定采集間隔、數據發送間隔、報警上下限等參數。同時，數據接收裝置使用現場總線實現與主機通訊的功能，實現遠程的監控與顯示。

3.3 PC端數據分析

就地信號接收裝置將存儲的數據傳輸存儲在PC端數據庫中，編寫PC端監控軟件，調用數據庫中的數據進行設備運行狀態顯示、報警記錄等功能。完成旋轉機械設備的實時報警顯示和歷史報警查詢，對比分析能夠給管理員對于裝備出現故障的原因及日常維護給與參考依據。

3.4 主要工況參數

1) 被測件溫度信號：可監測的機械設備溫度范圍0 ℃～200 ℃；

2) 信號傳輸距離：利用Wi-Fi發送溫度數據，信號傳輸距離>100 m；

3) 供電方式：信號傳輸裝置內置電池，間隔15 min執行一次溫度信號采集，電池供電時間長達1～2 a。

4 結論

溫度傳感器無線傳輸裝置主要是將信號采集與接收區分開，采用電池給采集裝置供電，使用Wi-Fi進行信號傳輸，傳輸距離可達到100 m，現場操作員可實時在較遠距離了解設備的運行狀態，保障設備高效率運行的同時使人員遠離現場高噪音的環境。該裝置現已通過驗收并已投入使用,滿足了設計要求。