液力耦合器監測系統的設計和實現

謝云鵬， 張 帆， 李孟秋

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

液力耦合器為代表的大功率高速旋轉設備連接部件被廣泛應用于經濟支柱型產業。液力耦合器是聯結在電機和工作機之間的一種柔性傳動元件，是交流恒速電機傳動系統大力推廣應用的調速手段之一，是提高電機啟動性能、改善傳動品質、減少電能損耗、調節工藝運行狀態的有效方法[1]。現在的制造業大多數是由現代信息和傳統制造技術結合發展，并逐漸向更高程度的集成、信息化發展。而信息化發展所需的各種物理量的檢測和傳輸技術則是信息化發展的基礎，更是利用數據對產品生產過程服務與優化的前提。對狀態參數形成一體的自主感知，同時可以做出相應調整的智能制造系統，使測試技術由傳統的非現場、事后測試轉換成裝備制造環節和裝備使用環節測試，實現物理量的在線狀態監測[2]。電機傳動部件的安全高效運行是大功率高速旋轉設備正常運行的基本保障，任何異常都可能會直接影響到整個傳動系統。目前國內大部分生產單位對這些傳動部件的維護工作基本都是采取傳統的人工檢測方式。狀態監測及故障診斷可以在生產過程中保證設備安全運行，避免關鍵設備的停機而產生不必要的損失[3]。而對于液壓型傳動設備內部的關鍵參數——油溫、油壓的準確測量更是困難。文獻[4]中給出刮板輸送機中的液力耦合器機組的實時監控方案，該方案使用PLC對現場液力耦合器的溫度、壓力與轉速實時監控[4]。其使用分立探測器進行監控，現場PLC搜集數據后發送至后臺。文獻[5]和文獻[6] 中液力耦合器狀的溫度和壓強參數是通過測量冷油器進出口溫度和液油順序閥得到的。

針對工程需求和設計難點，設計了基于無線通信的液力耦合器監測系統，并設計了基于易熔塞改造的液力耦合器內置式傳感器。該傳感器可直接測量腔體內部的溫度和壓強參數，保證了其檢測的有效性和及時性。傳感器裝置安裝在直徑8 mm易熔螺塞中，采集耦合器狀態數據并通過433 MHz的射頻通信技術發送至由STM32為核心的現場接收裝置。現場接收裝置與中控端組成由Lora通信技術構建的局域網。現場設備使用分布式布置，各自采集數據后由中控室進行集中分時輪詢監控，可同時監測幾十臺耦合器設備，使在線監測與故障診斷系統部分更加有效和便捷，優化了系統結構，使機組管理更方便快捷[7]。中控終端獲取到耦合器狀態數據后傳送給中控進行實時監控報警并將數據傳輸至云端服務器處，廠家也可通過便攜式設備實時觀測，極大地簡化了人員巡檢工作量。

1 液力耦合器監測系統工作原理描述

基于無線射頻通信的液力耦合器狀態監測系統包括傳感器、數據轉發裝置和數據接收終端3個部分，如圖1所示。傳感器裝置以英飛凌的SP370為核心，主要負責完成油壓、溫度、電池電量和設備加速度的采集，并通過外接的射頻電路板實現無線傳輸數據。數據轉發器負責接收傳感器發送的數據，單片機進行數據采集處理通過現場LCD進行顯示并使用Lora通信技術實現局域組網將數據轉發至接收終端。數據接收終端負責接收來自一個或多個數據轉發器的數據，接收終端與液晶顯示器通過RS232通信電路進行數據交互，實現實時監控、命令處理和報警功能。

圖1 液力耦合器監測系統框圖

2 系統硬件方案設計

2.1 傳感器設計

傳感器的工作環境一般存在電磁、機械干擾強等因素，檢測對象參數變化大，且易受到濕度、溫度、粉塵等外界因素影響。要求現場器件具有靈敏度高、抗干擾強、參數檢測動態性良好，且具有可長期持續性工作的特點[8]。為達到以上設計要求，設計了新型傳感器設備，其固定在液力耦合器的易熔螺塞內部，并且在盡可能不改變耦合器外觀、不破壞力學平衡的前提下，可以比較準確地獲取到耦合器內部溫度和壓強參數。傳感器實物圖和剖面圖如圖2所示。

圖2 傳感器實物圖和剖面圖

傳感器模塊主控芯片選用了適應能力強、測量靈敏度高、體積小、功能強的英飛凌SP370芯片。利用該芯片集成的溫度、壓強、電量、加速度采集和射頻發射功能模塊進行傳感器裝置功能設計。由于SP370芯片具有較高的功能集成度，內核是8051微處理器，所以安裝檢測終端硬件設計時只需外加晶振電路、供電電路和射頻天線即可[9]，如圖3所示。液力耦合器中的易熔塞在液力耦合器中屬于溫度型安全泄放裝置，當耦合器內部意外受熱，溫度升高至110 ℃時，易熔塞中的合金即被熔化，耦合器內氣體從安裝有易熔塞的孔中排出[10-11]。

根據液力耦合器和易熔塞的工作特點，傳感器設計時需考慮傳感器裝置可靠性、耐熱、無線射頻傳輸和耦合器的力學平衡這幾個方面的設計難點。

圖3 傳感器硬件電路

本設計方案中傳感器電子元件和連接部件使用耐高溫材質。裝置采用CR2032HR鋰電池供電，其耐溫可達125 ℃，置于螺塞尾部，隨著耦合器旋轉散發熱量，避免電池因溫度過高發生快速掉電或損壞的現象。由于傳感器是放置在直徑8 mm易熔螺塞中，內部可使用空間狹小，將芯片電路板、射頻電路板、電池和天線板分開設計，各部件單獨完成后再組裝入螺塞內部后使用結構膠進行密封。考慮到金屬屏蔽效應，將天線板置于最外側有利于無線數據傳輸。

實驗表明，設計方案使傳感器的極限工作溫度提高到135 ℃，保證了裝置在液力耦合器最高易熔塞熔化溫度120 ℃前可正常工作。傳感器電路元件總質量為10.5 g，填充結構膠固化封裝后，傳感器整體質量與易熔塞原本質量最大誤差為5 g，小于廠家要求最大質量偏差±25 g，滿足液力耦合器動平衡要求。

2.2 數據轉發裝置設計

數據轉發器由射頻接收電路、單片機電路和Lora通信模塊組成，如圖1所示。其中，TDA5235射頻接收電路是整個數據轉發器關鍵部分，硬件電路如圖4所示。主控芯片選擇STM32F103C8T6，射頻接收芯片選擇英飛凌TDA5235，具有靈敏度高、功耗低、滿足多頻段工作模式、設計簡單、易于調試、接收靈敏度高、抗干擾能力強、成本低[12]的優點。板載Lora模塊與單片機串口(USART1)進行數據通信，數據轉發器與接收終端配合使用可在廠區范圍內實現局域網組網。

圖4 TDA5235硬件電路

數據轉發器和傳感器一般安裝在工作電機附近，工作環境復雜，電磁干擾較強。現場安裝測試結果表明，為實現比較可靠的無線通信，保證傳感器和數據轉發器之間的傳輸效果，安裝時傳感器裝置與轉發裝置的天線距離宜控制在5 m以內。

2.3 數據接收終端設計

數據接收終端由單片機電路、Lora通信模塊和中控顯示屏幕組成，如圖1所示。接收終端接收來自一個或多個轉發器傳輸的耦合器運行狀態數據。Lora通信模塊采用SX1278射頻芯片設計開發，發射頻率為433 MHz，最大發射功率1 W，具有高穩定性、高抗干擾性的特點。現場基本上無須施工，也無須大規模布線，安裝、組網十分方便。

為保證廠區內組網通信狀態穩定可靠，現場安裝測試結果表明，使用Lora通信模塊在空曠無遮擋條件下點對點通信極限距離可達8 km，在廠區內多建筑情況下可以在3 km范圍內實現可靠通信，基本可以滿足實際使用需求。

3 軟件設計

3.1 傳感器設計

傳感器檢測程序在SP370芯片運行，軟件流程如圖5所示。通過調用相應的SP370提供的庫函數來實現數據采樣、數據發送和定時休眠功能。

圖5 傳感器檢測流程

程序初始化主要是對時鐘配置、射頻發射、串口參數配置。數據采樣功能是通過SP370內部集成的功能模塊來實現的，包括溫度、壓強、加速度和電池電量采樣。實地測試時由于傳感器溫度遲滯較大，不能較好地反映耦合器溫度可能會快速變化的情況，在程序中對溫度采取補償措施。程序實現方法為：利用比例微分算法(PD)的超前控制效果對遲滯的溫度參數進行調節，使其溫度產生快速變化、快速跟隨的效果，待溫度穩定后逐漸降到比例環節以此達到控制效果。傳感器休眠模式(Powerdown)是通過啟動間隔計時器預計數器(ITPL和ITPH)和對LC分頻后獲得持續時長實現的，具體計算方法為：休眠時間=(間隔計時器預計數器)/LC振蕩器頻率/分頻系數。正常檢測工作時，傳感器每休眠2 s發送1次數據，傳感器在休眠期間功耗最低。另外，設計了低功耗模式，即若設備長時間不工作，SP370加速度檢測的寄存器值低于30且持續5 min時，則進入低功耗模式，在此模式下傳感器每1 min發送1次數據。其目的是使傳感器在保持監控設備狀態的同時將功耗降低，延長使用時間。

3.2 數據轉發裝置設計

數據轉發器軟件設計主要包括了射頻接收、LCD顯示、按鍵對碼、Lora組網通信，軟件流程如圖6所示。

圖6 數據轉發器流程

芯片TDA5235使用英飛凌官方軟件進行芯片參數和工作模式的配置，最后將得到配置文件程序置于單片機主程序中調用即可。TDA5235接收到來自檢測模塊的數據包后，對收到的數據包進行CRC檢驗，在剔除錯包誤包后，將校驗過后的數據包存入FIFO并開啟中斷，并采用四線制SPI通信等待單片機接收數據[13]。使用SP370的ID進行按鍵對碼，實現現場的傳感器與數據轉發器進行一對一數據傳輸，避免附近數據轉發器接收到其他傳感器數據產生串擾，從而造成中控室誤判。通信軟件部分功能主要是接收來自終端的輪詢信號，判斷后將耦合器狀態數據進行上傳。

3.3 數據接收終端設計

數據接收終端主要承擔數據接收、轉發，以及與中控液晶進行數據交互和數據上傳云端服務器等功能。軟件流程如圖7所示。液晶顯示器通過RS232通信接收來自接收終端的各個液力耦合器溫度、壓強、電量、轉速等數據并進行實時顯示，如圖8所示。控制指令的作用是通過液晶改變下發命令的指定位控制接收終端的繼電器動作產生聲光報警。修改通信地址指令，通過終端下發指令給指定的轉發器進行輪詢通信地址修改，以達到便捷組網、自由組網的目的。

圖7 接收終端流程

圖8 液晶顯示界面

4 實驗驗證

4.1 溫度標定

溫度是監測旋轉設備的一個最重要也是最基本的參數，需要對其進行長期測量[3]。為了較準確地測量溫度，模擬液力耦合器內部情況，選用循環加熱絕緣油溫箱實現溫度標定實驗。溫度計采用的是工業鉑熱電阻感溫元件，精度保證在±0.1 ℃。實驗結果如表1所示。實驗中，最大的溫度測量誤差為1.04 ℃，因此該傳感器裝置溫度標定誤差為±1.14 ℃。溫度標定測試結果良好，測量誤差小。

表1 溫度標定實測結果 單位：℃

4.2 溫度跟隨測試

主從動電機差速過大或負載過大造成從動電機堵轉會導致耦合器溫度急劇升高[14]。重載連續起動也會造成耦合器溫度累積上升[10]。為了應對急劇升溫現象，保障設備安全運行，進行了溫度跟隨測試，結果如圖9所示。實驗結果表明，當環境溫度開始變化后可以在12 s內達到標定溫度的95%，16 s即可達到廠家要求的±4 ℃范圍。傳感器對溫度變化靈敏度高，溫升曲線無異常，基本可以滿足現場要求。

圖9 溫度跟隨曲線

4.3 壓強標定

英飛凌SP370芯片的壓強傳感器的性能有一定的優勢，其傳感組件是一個3層堆疊模塊(玻璃-硅-玻璃)，采樣得到的絕對壓力參考值是由頂層玻璃里的真空腔得出的[15-16]。壓強標定實驗是通過全自動壓力校準儀實現的，實驗結果如表2所示。為保證測試準確性，進行測試實驗中執行正行程和反行程兩次實驗，標定壓強實驗中最大測量誤差為0.003 MPa。壓強標定測試結果良好，測量誤差小。

4.4 工作時間

傳感器裝置采用鋰離子紐扣電池供電，型號為CR2032HR，容量為210 mAh。設備要求連續工作時間不少于每天8 h。傳感器采樣工作電流2 mA，采樣時間15 ms，發射數據期間電流5 mA，發送數據時間10 ms，裝置休眠電流0.5 μA，休眠模式為2 s發送1次數據，低功耗模式為每1 min發送1次數據。

表2 壓強實測結果 單位：MPa

對傳感器工作1天(24 h)的功耗估算如下。

8 h連續工作期間功耗：

P1=T(連續工作總周期數)×P(單次消耗能量)

(1)

16 h低功耗工作期間功耗：

P2=T(低功耗工作總周期數)×P(單次消耗能量)

(2)

則估算一枚電池至少可支持傳感器使用時長：

由于實測傳感器電池可持續工作時長較為耗時，因此本次測試中將多個傳感器供電端并聯，測試電池同時為30個傳感器持續供電時長。測試結果如表3所示。經換算可知，單個紐扣電池可連續為傳感器供電時長均在1.6年以上，與預估使用時長相近。

表3 時長實測結果

5 結束語

以液力耦合器為代表的傳統傳動部件應用廣泛，但是對這類關鍵部件的監控手段還很原始。使用筆者設計的監測系統可直接對液力耦合器內部狀態進行準確測量，且可遠程實時監控并及時預警進行故障處理，使液力耦合器從定時定期的檢修維護向可預見性維護發展，極大地延長了電機組工作周期。以英飛凌的SP370為核心的傳感器方案在不破壞液力耦合器力學結構前提下做到體積小、功耗低、精準度高、產品競爭力強。可以預見可內置的液力耦合器狀態監測裝置和基于無線組網的實時監測系統將逐漸成為行業趨勢。且該監測系統為后期設備數據入網監控奠定了軟硬件基礎，也為液力耦合器機組故障診斷技術提供了數據依據，為系統向可視化、智能化的監測及控制方向發展提供了充足的條件。