基于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電機(jī)滑環(huán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張指毓，閆 釗

(秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003)

0 引言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中碳刷通過與滑環(huán)動(dòng)靜接觸傳遞勵(lì)磁電流,如果主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)出現(xiàn)溫度過高或過低的情況,則極易發(fā)生打火故障,若不及時(shí)處理,輕則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁、非計(jì)劃停機(jī),重則燒損滑環(huán)和大軸,造成嚴(yán)重后果。因此,發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)溫度監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)十分重要的工作。現(xiàn)階段主勵(lì)磁機(jī)的滑環(huán)溫度監(jiān)測(cè)主要依靠人力通過紅外點(diǎn)溫儀測(cè)量,工作量大,且不能實(shí)現(xiàn)滑環(huán)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑環(huán)溫度異常情況并進(jìn)行處理。

文獻(xiàn)[1]基于紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)了一套開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)軟、硬件構(gòu)成,但缺少實(shí)際案例的數(shù)據(jù)分析。文獻(xiàn)[2]介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水電廠開關(guān)柜溫度測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠通過無線信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái),在溫度數(shù)據(jù)采集模塊,采用接觸式溫度傳感器,通過無線射頻將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī),但溫度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)易受到電磁干擾。文獻(xiàn)[3]介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)高壓電氣設(shè)備的連接部位進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè),但溫度傳感器構(gòu)成復(fù)雜,電量不足時(shí)傳感器將停止工作。

通過基于物聯(lián)網(wǎng)的滑環(huán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將滑環(huán)實(shí)時(shí)溫度傳輸至溫度監(jiān)測(cè)云平臺(tái),并開發(fā)出相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、溫度異常短信和電話提醒等功能。系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),無需敷設(shè)電纜,安裝簡(jiǎn)便,裝置內(nèi)部電路板抗干擾性強(qiáng),系統(tǒng)中溫度傳感器采用非接觸式紅外測(cè)溫探頭,通過電子線路傳輸數(shù)據(jù),運(yùn)行穩(wěn)定性高[4]。工作人員可以通過手機(jī)和電腦實(shí)時(shí)查看滑環(huán)溫度數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究滑環(huán)溫度變化趨勢(shì)和規(guī)律,從而制定巡檢周期和滑環(huán)維護(hù)方案。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)由設(shè)備支架、2個(gè)紅外測(cè)溫傳感器、基于STM32F103芯片的GPRS數(shù)據(jù)采集器、溫度監(jiān)測(cè)云平臺(tái)及通信終端組成,如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

從架構(gòu)上來看,物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如下：感知層(測(cè)溫傳感器)、網(wǎng)絡(luò)層(數(shù)據(jù)采集器、云平臺(tái))、應(yīng)用層(通信終端,包括手機(jī)和PC端)。

系統(tǒng)中2個(gè)紅外測(cè)溫傳感器固定在距離發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)約40 cm的位置,紅外測(cè)溫傳感器將采集的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流量,傳輸?shù)紾PRS數(shù)據(jù)采集器的模擬量輸入接口,GPRS數(shù)據(jù)采集器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過內(nèi)部4G模塊傳輸?shù)綔囟缺O(jiān)測(cè)云平臺(tái)。用戶通過PC和手機(jī)端查看滑環(huán)的實(shí)時(shí)溫度,并接收數(shù)據(jù)采集器溫度異常電話和短信提醒[5]。

1.2 紅外測(cè)溫傳感器

系統(tǒng)設(shè)置了一款非接觸式紅外測(cè)溫傳感器,可以在不接觸目標(biāo)的情況下通過測(cè)量物體發(fā)射的波長(zhǎng)在 8～14 μm范圍內(nèi)的紅外輻射能量計(jì)算出物體的表面溫度[6]。該溫度傳感器為一體化集成式紅外溫度傳感器,傳感器、光學(xué)系統(tǒng)與電子線路共同集成在不銹鋼殼體內(nèi),易于安裝,如圖2所示。

圖2 紅外測(cè)溫傳感器及光路

測(cè)溫傳感器的物距比D∶S,指測(cè)量距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑S的比值。被測(cè)目標(biāo)的尺寸和紅外測(cè)溫儀的光學(xué)特性決定了被測(cè)目標(biāo)和測(cè)量頭之間的最大距離。物距比小于20∶1時(shí),測(cè)溫傳感器的靈敏度最高。當(dāng)紅外溫度傳感器和被測(cè)目標(biāo)距離增大時(shí),則要求被測(cè)目標(biāo)表面積更大[7]。為了避免測(cè)量誤差,被測(cè)目標(biāo)應(yīng)盡量充滿測(cè)量頭的視場(chǎng),保持被測(cè)點(diǎn)始終小于被測(cè)目標(biāo)或至少與被測(cè)目標(biāo)相同尺寸。一期發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)的滑環(huán)側(cè)面寬度約10 cm,要求紅外測(cè)溫傳感器的探頭與滑環(huán)側(cè)表面距離小于200 cm。系統(tǒng)中2個(gè)紅外測(cè)溫傳感器均固定在距離主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)約40 cm的位置,滿足精度要求。紅外測(cè)溫傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 紅外測(cè)溫傳感器參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)采集器

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器以STM32F103芯片為核心控制器,搭載4G模塊,實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及控制與云平臺(tái)的通信[8],實(shí)物如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集器實(shí)物

圖中220 V交流供電接口通過整流后為STM32F103芯片提供直流電源；四路遙信輸入接口支持開關(guān)量和3～30 V有源信號(hào)；四路4～20 mA模擬量輸入接口采集分辨率為12 bits,要求輸入阻抗≤200 Ω；4G模塊支持移動(dòng)和聯(lián)通手機(jī)卡[9]；直流電源輸出端口輸出固定電壓12 V,最大輸出電流1 A,給紅外測(cè)溫傳感器提供電源。

數(shù)據(jù)采集器的配置可通過短信完成,短信發(fā)送格式為“鑒權(quán)碼+指令”,短信應(yīng)答格式為“終端地址+指令”,默認(rèn)鑒權(quán)碼為666666,設(shè)置指令與查詢指令需分開發(fā)送。首先,通過指令設(shè)置將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái),并將云平臺(tái)的IP地址或域名及通信的端口設(shè)置到設(shè)備的參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)；其次,設(shè)置紅外測(cè)溫傳感器的量程,將上傳云平臺(tái)的數(shù)據(jù)做歸一化處理；最后,設(shè)置告警短信或振鈴電話的目標(biāo)聯(lián)系人以及短信和振鈴告警是否開啟。若已設(shè)置接收號(hào)碼及開啟短信或振鈴告警,還應(yīng)設(shè)置四路模擬量接口的上下限以及是否開啟上下限告警等功能。

2 應(yīng)用案例

2.1 案例簡(jiǎn)介

系統(tǒng)于2022年8月在哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司QFSN-200-2型發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)滑環(huán)試運(yùn)行。試運(yùn)期間系統(tǒng)工作正常,溫度測(cè)量準(zhǔn)確,裝置能夠在高溫、粉塵等多種工況條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 實(shí)施效果

工作人員通過手機(jī)和PC可隨時(shí)查看發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)內(nèi)、外滑環(huán)的實(shí)時(shí)溫度和歷史溫度數(shù)據(jù),并通過歷史溫度數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖,掌握滑環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

通過云平臺(tái),系統(tǒng)可以建立多個(gè)子帳號(hào)及權(quán)限,實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)通過手機(jī)App查看滑環(huán)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),同時(shí)接收滑環(huán)溫度異常報(bào)警。

因碳刷與滑環(huán)之間接觸電阻、流過碳刷的勵(lì)磁電流等均能導(dǎo)致滑環(huán)溫度變化,工作人員可以將這些因素與滑環(huán)溫度趨勢(shì)圖相結(jié)合,分析溫度異常原因,提前干預(yù),確保滑環(huán)在規(guī)定的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行,避免出現(xiàn)滑環(huán)打火情況。

3 結(jié)論

通過對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的滑環(huán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)滑環(huán)溫度、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和溫度異常報(bào)警等功能。滑環(huán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可有效減輕設(shè)備管理人員的工作量,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),工作人員可及時(shí)采取檢修和排查措施,防止設(shè)備故障惡化,可以避免滑環(huán)因溫度異常而發(fā)生事故,進(jìn)而提升設(shè)備的智能化水平。