基于數傳電臺與RTU的電機水泵無線測溫系統

薛冬晨，魯紹軍，毛松林

（北京首鋼股份有限公司能源部，北京 064404）

引言

冶金企業里，能源供應多種多樣，高、低壓泵組眾多，并且分布廣泛，為進一步加強生產安全管理，提升設備監控實時性，確保設備穩定運行，對設備進行在線、實時監測十分必要，而數量之多、相對分散為監測管理帶來困難。

隨著企業轉型提效及操檢合一工作的不斷推進，崗位運行人員不斷減少。為了能及時發現轉動設備的各種異常和故障、避免引發更為嚴重的機械或電氣事故，對部分重要電機、水泵沒有軸承溫度監測的點位安裝無線測溫裝置，節省了電纜敷設的人力、物力。本設計共包含7個作業區，388個點位，實現在主控室監控電腦對現場設備測點的無線遙測。

1 系統結構

本系統現場部分由多個探頭和一個數據采集站組成，如圖1所示。探頭可以安裝在一臺設備上，也可以安裝在多臺不同的設備上，每一個無線溫度傳感器均是一個獨立工作單元，有自己的唯一地址，安裝方便，無需布線。采集器將采集到的信號進行分析打包處理，通過無線傳到采集機，進而實現測點溫度的遠程監測。

1.1 數采無線傳輸系統整體結構

系統由無線溫度采集器、中繼器、智能無線數傳機、信號轉換器等設備組成。

圖1 數采無線傳輸系統整體結構

智能無線數傳機和無線溫度采集器形成一個無線通信組，工作在同一頻段。采集點根據現場情況的不同通過兩種方式與現場中間站進行通信，一種采用磁力吸附方式安裝，與外界無任何電路連接是完全電氣隔離的，測量結果以無線數字傳輸方式傳送給接收設備；另一種通過六合一采集器，將來自現場設備接線盒的6個預埋好的溫度采集點與采集器連接。采集器集成了APC300 超低功耗微功率無線傳感器發射模塊，內置12bit 高精度ADC（模數轉換器），直接與PT1000 熱電阻連接。兩種方式均為電池供電。主要技術性能見表1。

表1 溫度采集主要技術性能

智能無線數傳機采用4電平連續相位頻移鍵控調制的數傳電臺2510，數傳電臺用一體化模塊直接安裝在遠程終端單元RTU上。

主站采用全向天線，為所有的遠程站提供相等的覆蓋，遠程站采用定向天線，把與其它用戶的互相干擾減小到最小。

系統有效覆蓋范圍與各站所處的環境及主站、從站天線架設高度有直接關系，當主站與從站較遠或有阻隔時，用中轉電臺是實現可靠通訊的唯一選擇。無線溫度采集中間站和現場數據采集器接收來自個測點的無線信號，每10 個測點入一個采集器，中間站和采集器通過E800模擬量采集模塊將分散的現場數據點的模擬信號經A/D 變換傳輸到主機。數傳電臺采集的信號通過轉換器將電流環信號轉換為數字信號傳輸給服務器進行處理。

1.2 關鍵電路設計

系統設計中，AT89C51 微型控制器使用溫度傳感器DS18B20 收集溫度，使用低功率CMOS 連續EEPROM AT24C02 執行搜集數據保存，使用T6963CLCD控制器收集溫度顯示和傳輸。

1)溫度測量電路

DS18B20 是數字溫度傳感器電路的感溫元器件，DS18B20 適應一個更寬的電壓范圍3.0V～5.5V，支持多點組網功能，達到網絡多點測量溫度；抗干擾能力強，輸出的是數字信號，用于產生固定頻率的脈沖信號發送給計數器1，經運算，溫度寄存器中的數值即為所測溫度。

2)存儲電路設計

由于微型控制器的數據存儲設計的是非常必要的。采用低功率CMOS 連續EEPROM AT24C02執行搜集數據的保存，通過SDA (串行數據線)和SCL (連續時鐘線)被連接到對調動信息的設備之間，根據地址辨認每個設備。

3)MCU電路設計（中間站）

在中間站內MCU 是一個重要組分，它同傳感器之間通過12C 總線連接，占用2 條MCU 輸入輸出口線，二者之間靠軟件完成通信。本方案中，傳感器的7 位地址設定為1001000。MCU 需要訪問傳感器時，發出一個8位寄存器指針，然后再發出傳感器的地址。主程序不斷更新傳感器配置寄存器，會使傳感器每更新一次測量一次溫度。發出單步指令后，產生定時中斷喚醒CPU，定時的長短通過編程調整，以便適應實際生產需要。

AT89C51 作為這個設計的核心，使用了DS18B20 芯片的溫度傳感器設計，加上一條適當的外在電路，不需要考慮電路A/D轉換的設計，不僅達到了測量效果，還有較強的抗干擾能力和可靠性。

2 無線測溫系統軟件設計

2.1 無線數據傳輸組網方式（系統組網方式和通信規約）

溫度測量數據采用TTL電平信號，通過APC300發射模塊進行無線傳輸。TTL 電平與CMOS 電平等其它信號相比具有速率高、熱損耗低、對電源要求不高等優點，對于無線探頭電池供電而言十分合適，無線信號數據采集結構圖如圖2。

圖2 無線信號數據采集結構圖

通過計算機對每個無線測量探頭模塊進行線下寫入，包括信道、中間站、傳感器地址、波特率、奇偶校驗、空中速率、輸出功率等信息，以保證現場上位機對測點采集的一一對應。

無需編寫無線與傳感器部分的軟件，也不需要額外的MCU 和外圍器件。APC300 模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口速率，收發頻率，發射功率，射頻速率，發射間隔以及傳感器類型等各種參數，本次設定每10 s 輪詢一次。APC300 模塊能定時采集傳感器數據并發送，合理的設定采集周期。

APC300 發射模塊特點：1000 m傳輸距離，速率3.125 Kbps，頻 率（425～450）MHz，（863～870）MHz，（902～928）MHz 2.1～3.6 V 寬電壓工作范圍，發射電流14 mA，多頻道可設，GFSK的調制方式。

根據現場情況，選用六合一探頭或單一探頭，對PT1000信號進行采集，將采集到的模擬信號進行分析打包處理，應用APC300模塊傳輸給中間站。

中間站集成APC300 模塊和E820 模塊，APC300負責接收來自現場采集器的信號，將TTL 信號轉換為RS232信號，又通過E820模塊傳輸給智能無線數傳機，智能無線數傳機采用一點對多點（MAS）的通信方式，由主站和多個相關遠程站組成，一個MAS網絡為中央主計算機和遠程終端單元RTU 或其它數據采集設備之間提供通信，這樣，無線系統傳送原始格式的數據，不改變數據格式。

2.2 軟件實現

傳感器節點在上電以后，進行硬件初始化。在加入已有網絡后，定時向協調器或者路由設備發送溫度值。溫度信號傳輸給相應系統上位機，又通過廠區內網發送給服務器。

系統軟件流程圖如圖3，系統包含兩個軟件，一個現場監視軟件，用于崗位人員對設備的日常監控，該軟件安裝在點檢電腦上；另一個是管理監控軟件，用戶為能上內網并有查看需求的管理者，實現對需要查看區域設備溫度的查看功能，根據管理范圍不同，設置多級權限，本作業區賬號只能查看本區域設備。

圖3 軟件流程圖

1）現場PC中心監視軟件

每個站所的上位機應用VB 語言進行編程，對智能無線數傳機采集、轉換得到的數字信號進行解析，刷新速率為1 s。主要實現實時溫度監測畫面：顯示測點實時溫度、報警值設定、電池電壓；測點溫度趨勢曲線畫面：可選的單點、多點溫度歷史曲線查詢；報警畫面：查閱設定報警值的超限歷史記錄。軟件共有5 個基本工作畫面，對應為6 個基本工作狀態。分別是：通信檢查狀態（主畫面）、棒圖顯示狀態、區域平面圖顯示狀態、曲線查詢狀態、歷史記錄查詢狀態和探測器組態配置狀態，如圖4。

圖4 PC中心監視軟件設計流程圖

2）局域網客戶端軟件

客戶端實現各個作業區數據的匯總，將匯總的數據進行處理、分類保存，以便用戶對數據庫的訪問。在需要訪問數據庫的計算機上（局域網用戶）安裝客戶端軟件，用戶可以在自己工作的計算機上時時了解、掌握各個作業區重要電機、水泵的溫度。

客戶端應用C#（C Sharp）語言進行編程，擁有C++的強大功能及VB 簡易使用的特性，是一個組件向導向的程序語言，將現場工控機接收的數據進行解析，對各個站所的數采機掃描周期為1 s，傳輸給服務器數據庫。

3 系統試驗及誤差分析

經過半年的在線試驗，分別從系統可行性與最遠距離傳輸穩定性出發，進行試驗工作，每4 h對現場點位用測溫槍測試，與無線溫度數據對比，判斷其準確性。將實測數據與無線測溫系統測量數據進行對比，二者數值和數據變化趨勢基本一致，如圖5。滿足對設備在生產過程中的測溫需要，且信號穩定，數據傳輸正常。

圖5 現場測量數據與無線測溫系統測量數據對比圖

誤差分析：從以上實驗結果可以看到，紅外測溫值與熱電偶所測值相比，兩者最大相對誤差小于5%.

分析原因有以下幾點：

(1)測點接觸面磁鐵有一定厚度，并且測溫槍與固定探頭測點有一定距離；

(2)由于給紅外傳感器的供電電源同時還給24 V 轉5 V 的電壓轉換模塊供電.雖然電池本身的紋波很小，但系統運行時電源的紋波比較大(達到700 mV)，這也影響了系統數據穩定性和可靠性；

(3)在硬件電路中對溫度信號進行了一些處理，電壓信號與溫度的對應關系是1：20，相當于將電壓信號進行了放大，產生的誤差不影響對生產監測的整體趨勢。

4 結論

本系統的實現，為運行設備的狀態監控提供了有效解決方案，且經濟有效，將數傳電臺與溫度巡檢和遠程傳輸技術相結合，創新性地應用于重要電機、水泵設備，簡化了數百甚至上千測溫系統所需的龐大布線系統，提升能源系統設備運行監測水平，可廣泛應用于機械電力設備的運行監控，對于保障設備的運行安全具有重要意義。