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(yè)采礦的掘進機使用中，類似滾筒、齒輪這類旋轉(zhuǎn)件，都因受力不均而造成設(shè)備運行時溫度升高，導(dǎo)致設(shè)備損壞事件時有發(fā)生，且現(xiàn)有傳統(tǒng)的接線方式根本無法滿足旋轉(zhuǎn)設(shè)備實時溫度監(jiān)測的功能需求，對此開發(fā)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(jiān)測設(shè)備在運行時溫度的變化情況，并根據(jù)實時溫度參數(shù)的變化了解裝備運行狀態(tài)，通過測量數(shù)據(jù)的記錄和分析，可有針對性地對設(shè)備進行一定的保養(yǎng)及維護，以提高工作效率，保障機械設(shè)施高強度運轉(zhuǎn)的同時延長機械壽命。

1 常用監(jiān)測方式存在的問題分析

原始的設(shè)備監(jiān)測技術(shù)，是依靠技術(shù)員的耳朵、眼睛、手等感官，即純粹依靠技術(shù)人員的工作經(jīng)驗，該監(jiān)測方式低效、原始、不可靠,且針對大型機械及設(shè)備工作環(huán)境惡劣的場所，無法進行人工監(jiān)測。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)備監(jiān)測多采用在設(shè)備多個測點安裝傳感器采集運行狀態(tài)信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸，由專業(yè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)處理與分析。目前，主流監(jiān)測模式有以下3種方式：

1) 離線定期監(jiān)測。離線監(jiān)測是指通過專業(yè)的檢測人員定期到裝置現(xiàn)場，采用在監(jiān)測機械設(shè)備的多個測點安裝傳感器的方法實現(xiàn)監(jiān)測，記錄下數(shù)據(jù)信息，再由專業(yè)的計算機或便攜機進行數(shù)據(jù)處理。

2) 在線檢測離線分析。在線監(jiān)測即主從機監(jiān)測方式，從機系統(tǒng)執(zhí)行各測點傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理功能，主機系統(tǒng)再匯總數(shù)據(jù)、執(zhí)行數(shù)據(jù)的分析與判別。

3) 自動在線監(jiān)測。自動在線監(jiān)測,即對設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)執(zhí)行實時監(jiān)測、現(xiàn)地數(shù)據(jù)處理分析及及時判斷故障報警及信息顯示、記錄。

針對旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測，為實現(xiàn)實時監(jiān)測機械設(shè)施在運轉(zhuǎn)過程中溫度變化情況的功能需求，離線定期監(jiān)測的方式不能滿足條件。為順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代“萬物互聯(lián)”的潮流，針對機械設(shè)施現(xiàn)場復(fù)雜的使用環(huán)境，達到旋轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)時的實時監(jiān)控功能，采用自動在線監(jiān)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(jīng)由一般操作人員依據(jù)相關(guān)專家經(jīng)驗及參數(shù)標準即可進行機械運轉(zhuǎn)情況的判定，簡單高效,這就是開發(fā)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(shè)計思路

2.1 主要原理

設(shè)計的該套裝置系統(tǒng)主要采用了多段信號傳輸?shù)姆绞剑洳杉b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(shè)備運行時信號的穩(wěn)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(xù)性運行。

2.2 裝置的主要功能

1) 設(shè)備溫度實時監(jiān)測。傳感器裝置加裝在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)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(shù)字顯示模塊，便于現(xiàn)場操作人員掌握設(shè)備運轉(zhuǎn)的狀態(tài)信息。

3) 報警查詢模塊。完成旋轉(zhuǎn)機械設(shè)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(xiàn)故障的原因及日常維護給與參考依據(jù)。

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(xiàn)場總線形式進行數(shù)據(jù)交互，保障信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。

5) 遠程顯示。遠程控制室PC端通過數(shù)據(jù)庫軟件調(diào)用顯示信號接受裝置中存儲的內(nèi)容。

2.3 研制中的難點

1) 信號采集裝置安裝在設(shè)備端，保障機械設(shè)備高速轉(zhuǎn)動時裝置的穩(wěn)定、持續(xù)運行。

2) 設(shè)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(shè)備溫度信號進行分段傳輸，加強信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性及抗干擾性能。

3 裝置主要組成

該套裝置主要由旋轉(zhuǎn)設(shè)備的溫度信號采集裝置、就地信號接收裝置、PC端數(shù)據(jù)分析3部分組成。圖1為溫度信號無線傳輸裝置設(shè)計的示意圖。

圖1 總體架構(gòu)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(fā)送模塊組成。機械設(shè)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(fā)送模塊將數(shù)據(jù)傳輸給就地信號接收端。設(shè)計合理的裝置結(jié)構(gòu)，在裝置內(nèi)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(fù)雜工況及實現(xiàn)節(jié)能環(huán)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(shù)關(guān)系進而來采集溫度信號；其中傳感器電阻與溫度的關(guān)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(shù)；t為溫度。

將測溫單元安裝在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，在機械設(shè)施運行時，實時采集旋轉(zhuǎn)機械的溫度數(shù)據(jù)。

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(wěn)定的信號傳輸、不容易受干擾，電流源內(nèi)阻無窮大，回路上串聯(lián)的導(dǎo)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(fā)送模塊將數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)備監(jiān)測需求加裝不同傳感器，實現(xiàn)對多種模擬量信號(應(yīng)變、電壓、電流、熱電偶、熱電阻、RTD、電阻)或數(shù)字信號(數(shù)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(shè)計信號接收端的裝置結(jié)構(gòu)，通過Wi-Fi進行信號傳輸，接收現(xiàn)場采集裝置發(fā)送的設(shè)備運行溫度變化狀態(tài)數(shù)據(jù)信號，加裝SD卡將采集到數(shù)據(jù)進行存儲。設(shè)計該裝置具有就地數(shù)字顯示功能，便于現(xiàn)場的觀察及設(shè)置，可以在現(xiàn)場設(shè)定采集間隔、數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、報警上下限等參數(shù)。同時，數(shù)據(jù)接收裝置使用現(xiàn)場總線實現(xiàn)與主機通訊的功能，實現(xiàn)遠程的監(jiān)控與顯示。

3.3 PC端數(shù)據(jù)分析

就地信號接收裝置將存儲的數(shù)據(jù)傳輸存儲在PC端數(shù)據(jù)庫中，編寫PC端監(jiān)控軟件，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行設(shè)備運行狀態(tài)顯示、報警記錄等功能。完成旋轉(zhuǎn)機械設(shè)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(xiàn)故障的原因及日常維護給與參考依據(jù)。

3.4 主要工況參數(shù)

1) 被測件溫度信號：可監(jiān)測的機械設(shè)備溫度范圍0 ℃～200 ℃；

2) 信號傳輸距離：利用Wi-Fi發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，信號傳輸距離>100 m；

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

4 結(jié)論

溫度傳感器無線傳輸裝置主要是將信號采集與接收區(qū)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(xiàn)場操作員可實時在較遠距離了解設(shè)備的運行狀態(tài)，保障設(shè)備高效率運行的同時使人員遠離現(xiàn)場高噪音的環(huán)境。該裝置現(xiàn)已通過驗收并已投入使用,滿足了設(shè)計要求。