一種港口碼頭在線測溫系統方案

李海波 韓喜俊

1 中交機電工程局有限公司 2 北京凱盛建材工程有限公司

1 引言

近些年，糧食碼頭、油碼頭等危險品碼頭的新建或搬遷業務越來越多，而此類碼頭對防塵防爆要求尤為嚴格，因此對設備現代化、專業化的集中管理要求越來越高，對設備狀態的可靠性、安全性、實時性、連續性等特性有了更高的需求，皮帶機輸送系統對溫度檢測預警的要求亦是如此。

傳統的碼頭測溫系統測量范圍主要以電纜、電機軸承及繞組、減速機為主。電纜測溫往往采用熱電偶、測溫光纖等測溫材料，測量信號傳送至采集裝置，由采集裝置上傳至上位機系統，實現對整個場區的高壓電纜溫度監控預警；電機軸承及繞組、減速機測溫一般在生產過程中已將測溫元器件安裝在設備內部，外部預留接線接口，通常由碼頭控制系統采集該部分信號并轉化為數據實現中控的監控報警。由此可見，電纜測溫與電機、減速機的測溫監控預警不在同一系統中，且測量對象單一、覆蓋范圍小，使中控管理人員無法高效、統一地管理，更無法滿足危險品碼頭皮帶機輸送系統的嚴格要求。本文介紹在山東某糧食碼頭進倉系統項目使用的一種在線測溫系統。

2 工程概況

山東一糧食碼頭進倉系統項目是將物料從碼頭卸料漏斗經氣墊式皮帶機傳送至轉運站轉運，最終抵達倉儲糧倉，主要設備包含：10條全氣墊式皮帶機，雙流程輸送長度超過2 000 m；2條托輥式皮帶機，雙流程輸送長度超過600 m；14臺驅動電機、14臺減速器、沿線所有滾筒及托輥。

3 方案設計

針對現場測量范圍大、測量對象繁多復雜、測量設備分散等特點，提出采用由分布式測溫系統與點式測溫系統構成的在線測溫系統。分布式測溫系統主要適用于需要連續測溫、測溫精度高的氣墊式皮帶機沿線及托輥式皮帶機沿線(含所有托輥)，此系統測量范圍廣、測量連續效果好、抗電磁干擾能力強，不帶電測量能夠有效地實現防爆防燃。點式測溫系統主要針對驅動電機、減速機、滾筒等，測量精確，測量分布不受限制，可實時監控。通過上述2種測量方式結合，覆蓋了全場所有要求測量的設備、元器件及區間。在線測溫系統的網絡拓撲圖見圖1。

圖1 網絡拓撲圖

3.1 分布式測溫

3.1.1 工作原理

分布式光纖測溫系統利用先進的OTDR技術進行定位，利用拉曼散射效應進行測溫[1]。

首先分布式測溫儀將固定能量、寬度的激光脈沖注入到專用的測溫光纖中；其次激光脈沖在不斷向前傳輸的同時，向后產生拉曼散射光波，而此拉曼散射光波的強度恰與所在光纖散射點的溫度存在關系，反射點的溫度越高，反射光的強度就會越大。利用此特性，系統可以通過測得反射點的散射光波強度進而計算出相應測量位置的溫度。

3.1.2 溫度計算

當光在介質中通過時，介質分子與入射光量子互相作用而引起頻率變化的散射，此種現象就是拉曼散射。當光纖物質分子與入射光量子產生碰撞時，就會產生彈性碰撞和非彈性碰撞。當發生彈性碰撞時介質分子與光量子之間不會發生任何能量交換，光量子的頻率也不會發生任何變化，產生與入射光頻率V0相同的較強的瑞利散射光。當發生非彈性碰撞時，介質分子吸收頻率為V0的光量子，發射出頻率為(V0-Vmol)的光量子，與此同時介質分子從低能態躍遷為高能態，表現為頻率為(V0-Vmol)、波長為λs的斯托克斯光；分子吸收頻率為V0的光子，發射出頻率為(V0+Vmol)的光量子，同時分子從高能態躍遷為低能態，表現為頻率為(V0+Vmol)、波長為λa的反斯托克斯光。

反斯托克斯光幅度與溫度有著緊密關系，因此系統可將斯托克斯光通道作為參考通道，斯托克斯光強為Is，將反斯托克斯光通道作為信號通道，反斯托克斯光強為Ia，兩者的比值R(r)可以消除光纖彎曲、光源信號波動等非溫度因素。計算公式如下：

R(r)=Ia/Is=(λs/λa)4exp(-hcV0/kT)

(1)

式中，Ia為反斯托克斯光強；Is為斯托克斯光強；h為普朗克常數；c為真空中的光速；k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度。

由上式可見，在外界條件一定的情況下，R(r)的變化僅與T有關，可以通過分布式測溫系統調解出R(r)從而反推出對應點的T，由此實現對溫度信息的采集。

圖2 分布式測溫系統構成

測溫系統主機通常由顯示器、工控機、數據采集卡、電信號放大器、光電探測器、光纖分波器、光纖分路器、脈沖激光光源等構成(見圖2)。主機利用半導體激光器產生固定的窄脈寬光脈沖信號進入光纖，產生的散射光波被主機探測器接收后，經過光電信號轉換并放大、數模信號轉換、信號處理等，可將測量點的測量溫度實時調節出來。

3.1.3 位置計算

圖3 位置計算工作原理

通過光時域反射(OTDR)原理，系統可實現對測量點分布的精準定位(見圖3)。假設注入的激光脈沖在傳輸過程中，產生的散射光波返回到發射端所需要的時間為t0，所傳輸路程為2L0，光的實際傳輸速度為V0，光的真空傳輸速度為C0，光纖折射率為n0，由此可以計算出測量點位置，公式為：

V0=C0/n0

(2)

L0=V0t0/2

(3)

3.1.4 分布式測溫系統構成

分布式測溫系統集光纖通訊、光纖傳感、信號解調、報警控制等功能于一體，系統集成化程度高，測量速度快，測量精度高。系統主要由測溫光纖(光纖本身不僅進行信號傳輸，還用于探測溫度，即傳播傳感一體化[2])、分布式測溫儀、固定夾具、安裝附件等構成。根據整個糧食碼頭的工藝流程及設備分布，分布式測溫設計示意圖見圖4(波浪線為分布式測溫光纖)，分布式測溫范圍覆蓋整個場區的氣墊式皮帶機及托輥式皮帶機。氣墊式皮帶機在運行過程中，如果由于設備的故障、物料的偏載或堵塞等問題導致膠帶跑偏，但仍未觸發跑偏保護開關停機，將造成膠帶與氣室邊緣摩擦，嚴重的會引發火災或者爆炸。為避免這種險情出現，就必須在膠帶跑偏與氣室摩擦時立刻作出響應，從而由中控系統智能停機或者人工停機檢查。根據上述情況，在10條氣墊式皮帶機氣室邊緣沿線布置測溫光纖，通過分布式測溫儀的精準計算，根據上位機的溫度實時監控整條沿線運行狀態，從而保證了物料運輸的正常生產。

圖4 分布式測溫系統分布圖

3.2 點式測溫

點式測溫主要針對分散布置全場的驅動電機、減速機、滾筒、張緊小車等設備進行精確測量，測量精度高，可實時監控。驅動電機、減速機主要由預裝內部的溫度傳感器PT100進行測量，并通過通訊電纜將測溫電信號傳輸至就近的控制采集器內，由光電轉換器轉換為光信號傳輸至中控室上位機處理。滾筒、張緊小車主要由測溫單元對其兩端軸承進行測溫，并將測溫信號傳輸至就近的控制采集器，再回傳至中控上位機處理。其布置原理圖見圖5。

圖5 點式測溫布置原理圖

4 結語

自系統正式投入使用以來，分布式測溫能夠有效地對氣室、托輥等設備進行連續性、實時性的檢測，點式測溫作為傳統的、高效的測溫技術，保障了驅動裝置、減速機等傳動裝置的溫度檢測。2種測溫方式的結合將全范圍覆蓋整個糧食碼頭的溫度監測，降低了設備停機次數、故障率、損壞率，實現預防為主、安全第一的生產理念，進而提高了生產效率，為日后溫度測控的自動化發展積累了豐富的經驗。