基于射頻通信的液力耦合器多點監測系統的研究

孫軍紅，謝云鵬，李鐵梅，張 帆

(1.湖南中特液力傳動機械有限公司，湖南 益陽 413000；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

對于液力耦合器這類高速旋轉設備的傳動連接裝置的檢測方法，大多是在停機時進行人工檢測[1]。但人工停機檢測的監測方式無法發現設備在運行過程中的異常[2]，也不能對液壓裝置內部的油溫、油壓進行準確測量，更不能對設備進行故障預警。

目前，對液力耦合器狀態參數檢測方面的研究較為薄弱[3]。文獻[4]介紹了現場監測系統對液力耦合器的充液閥液溫和充液管壓強的采集，實現液力耦合器單元的實時監控；文獻[5]提出PLC為核心并配合使用傳感器，可對刮板運輸機組的電機及液力耦合器設備進行故障檢測及監控；文獻[6]對液力耦合器運行時產生的高溫異常現象進行詳細的分析和定位，并提出相應的解決方案。但不管是通過人工檢測還是傳統傳感器檢測，都無法直接對液力耦合器內部的運行狀態參數進行實時采集，缺乏一定的準確性和時效性。

本文結合液力耦合器的實際工況與工程設計難點，以及生產過程及智能化生產的實際需求，設計并研發了基于射頻通信的液力耦合器多點監測系統。該系統可完成對現場液力耦合器設備的多點同時監控，并配合內置式傳感器完成對耦合器內部的溫度、壓力、轉速等參數數據的測量、傳輸及監控報警。

1 系統工作原理

根據設備監控功能設計及實際工程要求，本文設計的基于射頻通信的液力耦合器多點監測的傳感器裝置功能包括：壓力、溫度、電池電量以及液力設備的加速度參數檢測。現場數據接收器可進行多臺設備數據接收、處理、轉發等功能；現場接收設備和中繼器通過廠區無線通信設備進行廠區組網，并將數據進行終端匯聚，在中控室進行集中顯示和控制。系統結構如圖1所示。

圖1 液力耦合器監測系統

2 方案設計與問題分析

傳感器設計時需要注意傳感器的安裝位置、射頻傳輸以及設備對碼等設計重點。進行組網設計時，對于廠區局域網組網建立、局域網設計維護以及設備控制等方面存在許多設計重點難點。

2.1 傳感器方案設計難點分析

2.1.1 傳感器安裝環境分析

傳感器實際安裝位置如圖2所示，運行時傳感器需要耐受液力耦合器運轉時的高溫高壓環境溫度。工作時的溫度一般在40～80 ℃，壓強在150～200 kPa，出現故障時的泄油溫度可達120 ℃以上[7]，設計傳感器時需保證各元件在到達泄液溫度前可正常工作。

圖2 安裝位置

傳感器的電路集成安裝于液力耦合器的易熔塞中，設備的外殼會對傳感器射頻傳輸造成不利影響。設計安裝時需要考慮不同材質對射頻信號傳輸產生的影響。

對于鋁合金、不銹鋼等材料，其趨膚深度表示為

(1)

對于樹脂塑料、橡膠等材料，趨膚深度表示為

(2)

ω=2πf；ε為介電常數；μ為磁導率，真空磁導率μ0=4π×10-7H/m；σ為電導率。

a.金屬殼體對射頻傳輸的影響。

本次射頻信號的頻率為433 MHz，液力耦合器金屬殼體為鋁合金，其電導率σ=4.3×108S/m，μ=μ0，ε=ε0，ω=2π×433×106。則代入得其趨膚深度為

可得鋁合金材質的趨膚深度δ≈0.001 1 mm。

b.聚酰胺塑料對射頻傳輸的影響。

聚酰胺塑料材質的特性為σ=10-17S/m，μ=μ0，ε=2.5ε0，則其趨膚深度為

8×1011km

c.橡膠對射頻傳輸的影響。

橡膠的特性為σ=10-15S/m，μ=μ0，ε=2.5ε0，則其趨膚深度為

8.1×109km

由上述計算結果可以看出，塑料和橡膠基本不對該射頻信號的傳輸產生損耗，而金屬材質的易熔螺塞、液力耦合器的鋁合金外殼及安裝外側的金屬設備保護罩是可以屏蔽傳感器的電磁波射頻信號。因此在傳感器設計及安裝時，要對現場安裝環境進行分析，重點考慮天線與現場接收設備之間的相對位置。

2.1.2 天線及匹配電路設計

射頻匹配電路是通過使用官方推薦匹配電路和實際設計使用情況進行阻抗匹配及參數調整優化，具體設計參數如圖3所示。從天線的形狀、體積、長度及射頻特性等方面考慮，本次傳感器的發射天線采用1/4波長的單極天線，常用的有小環狀天線、鞭狀天線和螺旋狀天線等[8]。

以下對天線進行分析：

a.真空光速為c0，則當傳輸信號的電磁波頻率為f時，計算射頻信號在真空環境中波長λ為

(3)

b.射頻信號在介電常數為εr的電介質中傳播，速度c可以表示為

(4)

c.對于PCB天線，對其進行天線設計時，需對天線基板的介電常數及天線周圍的傳輸環境進行計算分析。有效介電常數εeff計算公式為

(5)

h為PCB厚度；w為天線寬度。

d.1/4波長的單極天線長度L為

(6)

本次設計中，PCB板材厚度h為1.6 mm；使用的板材類型為FR4，其介電常數εr=4.2；設計線寬w=1 mm，則通過式(5)可以計算有效介電常數εeff=2.96。而當信號頻率為433.92 MHz時，通過式(6)計算可以得出天線長度L=100.4 mm。

本次項目設計中，對傳感器信號的傳輸距離要求不高，但由于天線安裝于高速旋轉的液力耦合器外側，所以要求發射天線體積小、重量輕、長度短。綜上所述，本次設計中選用1/4波長的長度、體積較小且易于安裝的印刷PCB螺旋天線。

PCB螺旋天線是彈簧天線的變形，其天線線路與線路兩端的過孔形成空間上的螺旋體結構[9]，如圖3所示。天線設計安裝時將PCB天線板緊貼于易熔塞螺帽外側的聚酰胺塑料殼中，以保護傳感器電路的同時降低射頻信號傳輸的損耗。

圖3 天線及匹配電路

2.1.3 傳感器設備對碼問題分析

由于日常設備工作時，1個現場接收點位可能要同時接收多個傳感器上傳數據，而傳感器和現場數據接收器的通信模式是點對點或單點多從的工作模式，且接收器的存儲空間有限制，所以不可能存在所有對應關系，導致接收器無法識別已更換傳感器的ID信息而不可接收其數據，所以當液力耦合器設備換位或更換模塊時,存在重新識別ID的問題。

目前，存在多種ID對碼方式，本文對比實際應用中存在的優缺點，根據本項目實際使用需求及裝置設計的可靠性和設計可行性要求，選擇了接收器手動對碼方案。接收器手動對碼程序流程如圖4所示。

圖4 手動對碼流程

每個傳感器芯片燒錄程序時使用軟件設置好不同的ID碼，當按下按鍵后，觸發MCU中對碼程序，將此時接收到的數據提取出ID碼后便寫錄入Flash中。對碼完成后接收器便只能接收到該ID的數據，液力耦合器更換時不需要將傳感器取下，可直接更換再次對碼即可。使用此方法不足之處在于：手動錄入ID時效性不高，現場如果存在多個分組傳感器模塊需要分組對碼。但優點是其操作簡單，穩定可靠，并且可調整程序來改變錄入的ID個數，靈活性較高。

2.1.4 多傳感器數據幀沖突問題分析

在本系統設計中， 傳感器與現場數據接收器之間的通信方式為單行通信方式，即現場數據接收器只被動接收，不主動詢問傳感器數據。但現場可能存在多個傳感器設備共同工作，存在單臺接收設備對多個數據進行接收的工作情況，此時就可能產生數據沖突現象，影響數據更新效果。為此,提出以下解決方案。

硬件解決方案：在現場裝配傳感器時，由于其安裝于液力耦合器的金屬殼體外側，只有傳感器信號的無線傳輸路徑在接收器同側最為有效，否則接收器就無法接收傳感器信號。而且傳感器隨液力耦合器進行高速旋轉時，現場眾多傳感器與接收器同時處于同側的概率也會很小，這樣在硬件方面造成隨機事件，減少數據通信沖突的現象。

軟件解決方案：通過軟件編程方式進行隨機延時發射。利用軟件產生隨機數，對傳感器芯片進行隨機延時發射時間，避免同一時間多個傳感器發送數據導致數據幀沖突的情況發生。

硬件和軟件2個方面的隨機化處理，使得多點位傳感器協同工作時，幀沖突現象發生概率大大降低。

2.1.5 傳感器通信規約設計

傳感器與數據接收器之間是通過曼徹斯特編碼和FSK調制的433.92 MHz射頻信號進行通信。需要對傳感器至接收器之間的通信規約進行設計，以便接收設備對傳感器上傳的數據進行解碼接收。本系統設計SP370發送的數據如表1所示。

表1 傳感器數據幀格式

a.芯片ID：識別模塊信息，現場接收器通過對碼實現與芯片ID對應關系。

b.位置信息：二次判斷作用，防止模塊產生串擾。

c.數據位：如表2所示，為芯片采集并上傳的信息。

表2 有效數據幀格式

d.校驗位：用于接收器接收數據的校驗。

2.2 監測系統組網設計

2.2.1 LoRa組網通信規約設計

在實際組網應用中，現場數據接收器的各個點位分布較廣、多位于復雜的環境中，并且要求多個現場接收設備可以有序穩定進行數據上傳。按照以上設計要求，本文設計了2種組網主機指令，分別為數據輪詢指令和從機站號修改指令。

現場數據接收器與接收終端通過LoRa通信模塊進行廠區組網。數據輪詢使用Modbus協議進行組網通信。指令數據格式如表3和表4所示。該指令是HMI設備或服務器通過終端串口，下發給指定地址的現場接收器。接收器接收該指令后立即返回當前設備數據。為了保證數據更新的實時性，HMI設置每個點位輪詢時間300 ms，每個點位輪詢2次數據。組網傳輸時使用Modbus協議可以使現場多個點位數據進行有序地上報傳輸[10]，并且在運行過程中可及時發現失聯點位并進行失聯報警。

表3 主機數據輪詢指令

表4 從機返回輪詢指令

a.Addr：Addr為無線接收器的通信地址。

b.0x03：指令類別。

c.n：數據長度。本次設計數據長度n為0x05。

d.CRC-L/H：對前面所有字節計算CRC校驗碼，并加入到數據幀末尾，用于數據校驗。

接收器站號修改指令的數據格式如表5和表6所示。使用該指令同時增加了網絡變化的靈活度，當現場設備變動或設備更換時，可遠程更改設備輪詢地址。

表5 主機站號修改指令

表6 從機返回站號修改指令

a.Addr：接收器的通信地址。

b.0xE2：指令類別。

c.AddrN：需要目標設備更改的地址。

d.返回的數據中，4號數據為1表示改寫成功，為0表示改寫失敗，失敗時保持原地址不變，此次應答地址為本機原地址。

2.2.2 現場接收器組網程序設計

接收器組網程序流程如圖5所示。

圖5 接收器組網程序流程

現場數據接收器通過接收到終端下發的指令來執行相應程序。接收器的組網程序可分為數據接收和數據發送。接收數據時，接收器需要對終端下發的相關指令進行接收，處理器解析出指令含義；發送數據時，接收器依據主機下發不同的指令返回相應的數據。

2.2.3 接收終端組網程序設計

數據接收終端組網程序如圖6所示。接收終端主要的作用進行數據匯總及數據轉發的作用。按數據流方向，程序設計同樣的也是分發送和接收2個部分。主控單片機分別接收HMI設備及網關中的指令數據，進行解析后下發至現場數據接收器；現場數據接收器將指定的數據返回，接收終端進行數據接收匯總，并上傳至HMI或數據網關中。

圖6 數據終端組網程序流程

3 實驗測試

3.1 射頻測試

傳感器芯片SP370進行程序燒錄完成后，模塊上電工作穩定后，使用頻譜儀檢測射頻信號。設置頻譜儀掃寬為250 MHz，中心頻點為433.9 MHz。掃描得到的射頻信號中心頻率點為 433.3 MHz，信號質量較好，基本可滿足設計要求。

由于實際安裝時，現場接收器和傳感器一般安裝在工作電機附近，工作環境復雜，存在較強電磁的干擾，安裝時應使兩者距離盡量靠近，以保證傳感器和數據接收器之間的傳輸效果。

3.2 LoRa無線通信傳輸測試

由于液力耦合器的主要應用場景為礦業開采、煤炭運輸等比較空曠的野外環境中，或樓宇、廠房等障礙物繁多等場景中，所以本次LoRa通信測試進行空曠和復雜地形2個場景測試。

LoRa通信模塊參數設置：波特率9 600 bit/s，空中速率9.6 kbit/s，數據位8，停止位1，校驗位無，休眠時間250 ms，傳輸模式透明傳輸，發射功率30 dB。串口助手設置：發送數據長度8字節，發送間隔1 s，供電電壓5 V，天線架設高度2 m。

第1次實驗，測試模組在野外空曠環境下的傳輸性能，本次實驗在市區環境中進行。設定直線距離約3 000 m的實驗路線，該市區實驗環境下符合大多數廠區的實際使用情況，如圖7所示。實驗時發送數據1 500包，接收數據1 449包，丟包率不足0.1%。

圖7 LoRa通信空曠環境測試

第2次實驗，測試模組在有障礙環境下的穿透性能，本次實驗在傳輸線路中有障礙的環境下進行。設定直線距離為996 m的實驗路線，實驗場景如圖8。發送數據2 000包，接收數據1 999包，丟包率不足0.1%。

圖8 LoRa通信復雜環境測試

測試結果表明，LoRa擴頻信號傳輸，其傳輸距離遠，穿透力強且信號質量較高，適合不同場景下的遠距離廠區組網。

4 結束語

本文從實際工程應用角度出發，提出了基于射頻通信的液力耦合器多點監測裝置的設計方案。分析了傳感器裝置的安裝環境、天線和射頻匹配電路的設計，并對其對碼方式、多設備數據幀沖突等關鍵問題提出了解決方案。介紹了現場設備組網通信規約設計及組網子程序設計，保證了遠距離、多設備的數據可穩定可靠上傳。

實地安裝測試結果表明：該方案可滿足現場工作需求，可為液力耦合器等高速旋轉設備的多點位監控提供有效的手段，并可完成對設備的遠程實時監控、預警及故障處理等工作。