基于無線傳感技術的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統設計

中海石油（中國）有限公司天津分公司 王 濤

隨著計算機科學和電子技術的成熟和興起[1]，溫度監控技術在農業和工業中起到了一定的支撐作用，主要是在對溫度監控的地方進行控制。對于該項技術形成的檢測預警系統是需要穩定和可靠的設備進行支持。因為溫度是一個非線性的時變數據，在采集和集成的過程中容易受到較大的干擾，控制起來存在較大難度。現有的系統需要更高的成本來進行系統維護，使得企業的資金投入越來越多。因此，本文提出基于無線傳感技術的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統，用于海洋鉆機電氣系統日常運行中的溫度監測。

無線傳感技術可以通過各個節點的網絡布置，直接將溫度監測效果傳輸至主站內，以捆綁式安裝結構，完成多個傳感器的串聯。其中無線網絡層級可以通過溫度傳感器穿入合金帶，直接把溫度傳感器底部的測溫探頭貼在被測物體表面，直到選定的位置得以確定后進行選項調整固定。本文在利用無線傳感技術的優勢下，設計一款性能較為良好的溫度接收與傳輸裝置，在設置好的工作條件下，使其可以具備防水和防銹以及防腐蝕能力，完成設備的溫度監測和預警，為延長設備的使用壽命提供理論支持[2]。

1 基于無線傳感技術的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統硬件設計

1.1 建立海洋鉆機電力設備溫度在線監測架構

在每一個端口與另一端口處連接時，需要將卡扣慢慢拉緊，接著從反方向折彎。整個架構需要將傳感器的外層硅膠緊密的連接在被測物體上，通過無線傳感技術將數據從多個層面傳輸至接收站。其中對于總路線上的主機結構組為數據儲存層放置在第一結構內，其次按照數據接收層對接傳感服務器和數據串口，每組溫度傳感器需要在固定編碼下進行有序安裝，依次放置在數據采集層。

架構分層在重新組建的監測架構中主要分為三個層級，最主要的層級為傳感器設備的安裝層級，即有效溫度數據的采集層面。根據現場設備的放置形式其底層分布固定序號的無線傳感器，能夠和被測點直接接觸，實時監測到海洋鉆機電力設備溫度參數的變化數據。在此基礎上傳感器通過無線傳輸方式，將采集到的數據傳輸給溫度采集器[3]，采集器將接收到的數據進行處理[4]，并通過采集器的屏幕顯示出來，同時將數據上傳至服務器端，服務器端通過后臺軟件界面可以顯示各個測點溫度以及變化趨勢，報警信息等，從而完成海洋鉆機電力設備溫度數據的采集與顯示。

1.2 設定無線溫度傳感器參數范圍

正常運行狀態下設備工作環境的空氣相對濕度分為兩個等級，一般日平均相對濕度在95%以下，月平均相對濕度在90%以下。在濕度配比符合的情況下，設置整個運行的環境溫度在-30℃到70℃范圍之間，年平均溫度保持在25℃左右，最大日溫差不能超過這一范圍。根據耐用性和防水防腐性的要求設定，傳感器的整體采用導磁防銹材料，采用CT感應電流自取電方式直接與高壓導線裝配，額外無需電池供電，保證儲能電容可以持續儲能。

無線溫度傳感器參數選定指標：RS486通訊距離0-2000m，RS486通訊速率1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，光線通訊距離0-5000m，光纖通訊波特率2400bps-56000bps，傳輸距離0.4-500m，頻率范圍428MHz-439MHz。

根據表中內容所示，此次設計采用無源輸出的接口模式，在保證熱敏傳感器的負載小于300W的條件下，可以和接點體緊密接觸，準確測量出實時溫度。每組傳感器的表帶長度為W28×D36×H20×L420，合金帶長度為W10×D0.3×L420，在感應取電在負荷為5A-5000A范圍內進行工作，可以通過不同的傳輸效率獲取溫度數據，使得整體的精密度保持在±2℃區間。

2 基于無線傳感技術的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統軟件設計

2.1 布控中央無線采集和匯聚數據節點

海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統的主要數據來源為不同設備之間的節點采集，根據無線傳感網絡的結構特點布控多個數據采集節點，按照中央采集和分散匯集的節點裝置進行安排，并在顯示節點數據后的溫度測量進行歷史曲線的查詢。監測節點根據一定協議規則組成雙層無線網絡結構，采用雙層同時射頻傳輸的技術，在較遠距離溫度的多維采集中滿足成本需求。一般數據采集節點是根據處理器模塊以及無線收發模塊連接組成，通過現場控制模塊排列組合分類數據，直接在顯示模塊中完成統一調取。此次采集節點的處理器模塊型號為C605lfD20，內核與指令集可以完全兼容硬件的傳感器參數，形成集數據采集和集中控制的閉環。在每組無線接收模塊內另外布控模擬部件，當含有信號的調理傳感器將非接入信號傳入后，可以通過模擬部件進行標準信號轉化，完成處理器和傳感器之間的有效通信，實現海洋鉆機電力設備溫度數據的信息采集。

在各個網絡節點完成溫度信息采集后，通過信號調節裝置將其轉換至頻率信號，利用傳感器的不同光纖對比接口，按照程序化處理為設備的對應溫度，為保證每組設備的連接無線收發模塊可以同時段工作，需要在收發芯片中設置不同的采集頻段，此次設置分為433MHz、868MHz以及915MHz，完成循環頻率編碼的統一校驗。其次針對中央采集節點而言，每組設備的傳感器連接節點模式，除了主要的控制節點外還需要對傳感器進行二級節點的布控，在采集數據個數超過多個的字節后，直接通過二級節點整合完成多余數據的校驗。在配合整個無線網絡搭建的工作中，二級采集節點和監控主機之間能夠形成良好的通信通路，對于每次傳輸到的指令和數據能同時執行，并將添加到節點的地址校驗碼進行打包及時分類，在初步處理后保存原始數據進入匯集節點完成輸送。

2.2 最小二乘法構建溫度辨識模型

在完成各個溫度傳感器采集節點的根據最小二乘法來計算每組溫度數據的辨識參數[5]，利用無線傳感網絡的通訊技術在中央進行數據的多個網絡匯集，同時收集海洋鉆機電力設備不同位置和不同序列的溫度數據，完成對多個時段的溫度判斷。在此基礎上需要對海洋鉆機電力設備工作現場的環境進行辨識，分析不同設備之間的溫度差值，對比設備的現行運行狀態作出預警信息輸出，實現數據組網的有效連接。對于單個輸出或者輸入的常態節點，可以通過差分方程變量進行細節描述，設定每個數據的進階系數為q，在設定w多個辨識結果時，可以根據輸入的有效數據完成位置參數的選擇，表達式為：

公式中：每組傳感器實際測量的溫度數據輸出結果用{t（q）}和{e（q）}來表示；在均數值等于0時每組的數據不相關變量序列用來{r（q）}表示。在得到辨識的溫度測量模型參數后，在線性定量矩陣中觀測每組數據的殘差平方和最小取值范圍。最小二乘法是根據每個數據的參數到向量之間的長度距離進行測算，加入增加了一個新的溫度數據，則需要在獲取的有效數據中依次疊加參數選項。根據估計向量參數的二次函數進行有效數值的求解，求導規律可以通過最小殘差平方和進行計算，表達式為：

公式中：估計參數向量用av來表示；在每個采集到的溫度數據殘差平方和用Zv表示，其中vu為向量的二次函數。當每組數據中包含多個位置參數時，可以將隨機序列設置為0，每次辨識的最優解數據長度越長，表示該數據的選取規模越大，能夠得到的參數解就越精準。根據最小二乘法來計算每組溫度數據的辨識參數[6]，由此構建溫度辨識模型，通過溫度傳輸的偏差反應不同設備之間的運行狀態，及時作出高溫或者高耗能的預警信號。需要注意在溫度偏差較大時，殘差的平方和若不能使最優解的序列構成0，則表示此時的模型參數的選值不能正確反映系統真實狀況。若出現類似的情況可以通過加權法，對參數的系數大小進行設置，使得單位的加權矩陣和單位矩陣的最優解相同即可。

3 測試與結果分析

3.1 實驗準備

為驗證本次設計的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統具有實際應用效果，第一階段為抗干擾性能檢測，在嚴酷等級為IV級的瞬脈沖群干擾下，監測系統能夠完成較為穩定的溫度數據輸出；第二階段為溫度監測效果測試，即在不同時間段內每組傳感器的溫度顯示數據均能夠與實際溫度保持一致，作出提前預警。選擇4組發電機監測點位對海洋鉆機電力設備的進線柜進行在線溫度監測，每個發動機的監測點數量設置3個，無線網絡中布控有變壓器數量為2個，變頻器數量為6個，并設置好頂部的出線斷路。在保證每個監測點位均可以正常開啟后，每組傳感器的溫度數據傳輸保持一致時，進行海洋鉆機發電機設備運行狀態的溫度監測。

3.2 第一階段測試

在正常生產過程中監測系統，必須具有抗干擾性能才有實際應用意義，為更好的分析本次監測系統的抗干擾性能，設置實驗的檢測干擾值初始為0，以此增加干擾系數進行干擾輸出。選擇PID監測預警系統和動態矩陣預警系統作為對比系統，與本文設計的基于無線傳感技術的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統進行實驗對比，在系統穩定運行后的30min內進行數據的干擾調節測試，具體調節時間曲線如下圖1所示。

圖1 調節時間曲線對比結果

如圖1所示，在每組傳感器正常運行得到數據后加入干擾信號，三組系統的調節時間和承受干擾上限不一致。兩組傳統預警系統的干擾值上限0.25，且調節過重會出現一定震蕩，總體調節時間超過400s。本文系統的干擾上限值沒有受到影響，在最大干擾值設定在0.5時，能夠在110s的時間內完成調節，保證實時數據的輸出，具有實際應用效果。

3.3 第二階段測試

為進一步驗證本文系統，能夠在溫度達到極值前作出預警信號，選取三個運行時間節點為15min、30min和45min，對應發電機的溫度極值分別為24℃、40℃和56℃，對每組發電機的溫度進行多輪監測，具體監測結果如表1所示。

表1 不同系統的溫度監測結果（℃）

根據表中內容所示，本文系統的溫度監測結果均在上限值之前，兩組傳統系統的溫度監測值均在極值之后，會造成發電機設備的運行，造成故障的產生。綜合結果來看，本文系統在多個時間段監測中，均能在溫度數據采集時提前作出預警，預防故障的進一步產生。

4 結語

本文在無線傳感技術的優勢下，組成多個設備之間的網絡連接架構，完成溫度監測預警系統的設計。實驗結果表明：文中設計的海洋鉆機電力設備溫度監測預警系統，在超過限值時直接以報警形式告知負責人，在出現異常情況之前進行早期預警，防止故障的進一步惡化。

但由于研究的時間有限，整體設計上只考慮了溫度信號，在實際的硬件電路中并未進行低耗能的設計，后期研究中仍有許多改善的空間。未來可以在實際系統應用過程中動態監測傳感器，研究硬件的電路組成原理，降低硬件電路的功率消耗，將無線傳感網絡和預測控制緊密結合。