姜文蘇

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 201400)

0 引言

在工業(yè)采礦的掘進(jìn)機(jī)使用中，類似滾筒、齒輪這類旋轉(zhuǎn)件，都因受力不均而造成設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫度升高，導(dǎo)致設(shè)備損壞事件時(shí)有發(fā)生，且現(xiàn)有傳統(tǒng)的接線方式根本無(wú)法滿足旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的功能需求，對(duì)此開(kāi)發(fā)研制了一套溫度傳感器無(wú)線傳輸裝置，通過(guò)該套裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)溫度的變化情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)溫度參數(shù)的變化了解裝備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄和分析，可有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行一定的保養(yǎng)及維護(hù)，以提高工作效率，保障機(jī)械設(shè)施高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)延長(zhǎng)機(jī)械壽命。

1 常用監(jiān)測(cè)方式存在的問(wèn)題分析

原始的設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)，是依靠技術(shù)員的耳朵、眼睛、手等感官，即純粹依靠技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，該監(jiān)測(cè)方式低效、原始、不可靠,且針對(duì)大型機(jī)械及設(shè)備工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，無(wú)法進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)備監(jiān)測(cè)多采用在設(shè)備多個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝傳感器采集運(yùn)行狀態(tài)信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸，由專業(yè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。目前，主流監(jiān)測(cè)模式有以下3種方式：

1) 離線定期監(jiān)測(cè)。離線監(jiān)測(cè)是指通過(guò)專業(yè)的檢測(cè)人員定期到裝置現(xiàn)場(chǎng)，采用在監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的多個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝傳感器的方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，記錄下數(shù)據(jù)信息，再由專業(yè)的計(jì)算機(jī)或便攜機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2) 在線檢測(cè)離線分析。在線監(jiān)測(cè)即主從機(jī)監(jiān)測(cè)方式，從機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行各測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理功能，主機(jī)系統(tǒng)再匯總數(shù)據(jù)、執(zhí)行數(shù)據(jù)的分析與判別。

3) 自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)。自動(dòng)在線監(jiān)測(cè),即對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)處理分析及及時(shí)判斷故障報(bào)警及信息顯示、記錄。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)施在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度變化情況的功能需求，離線定期監(jiān)測(cè)的方式不能滿足條件。為順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代“萬(wàn)物互聯(lián)”的潮流，針對(duì)機(jī)械設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的使用環(huán)境，達(dá)到旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，采用自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式。該方案無(wú)需頻繁地更換測(cè)點(diǎn)，能完成在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警功能；經(jīng)由一般操作人員依據(jù)相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)即可進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況的判定，簡(jiǎn)單高效,這就是開(kāi)發(fā)研制了溫度傳感器無(wú)線傳輸裝置。

2 溫度傳感器無(wú)線傳輸裝置設(shè)計(jì)思路

2.1 主要原理

設(shè)計(jì)的該套裝置系統(tǒng)主要采用了多段信號(hào)傳輸?shù)姆绞剑洳杉b置與信號(hào)接收裝置使用無(wú)線傳輸，信號(hào)接收裝置與PC利用有線連接,以保障設(shè)備運(yùn)行時(shí)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。溫度信號(hào)采集裝置采用電池供電，便捷高效，保障裝置的持續(xù)性運(yùn)行。

2.2 裝置的主要功能

1) 設(shè)備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳感器裝置加裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備上，采用電池供電，實(shí)時(shí)傳輸裝備的溫度變化信息。

2) 就地溫度顯示。通過(guò)在信號(hào)接收裝置中加入數(shù)字顯示模塊，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員掌握設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)信息。

3) 報(bào)警查詢模塊。完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和歷史報(bào)警查詢，對(duì)比分析能夠給管理員對(duì)于裝備出現(xiàn)故障的原因及日常維護(hù)給與參考依據(jù)。

4) 信號(hào)分段傳輸。就地信號(hào)采集與接收裝置分開(kāi)，采用Wi-Fi進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)接受端與遠(yuǎn)程控制室可采用現(xiàn)場(chǎng)總線形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保障信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。

5) 遠(yuǎn)程顯示。遠(yuǎn)程控制室PC端通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件調(diào)用顯示信號(hào)接受裝置中存儲(chǔ)的內(nèi)容。

2.3 研制中的難點(diǎn)

1) 信號(hào)采集裝置安裝在設(shè)備端，保障機(jī)械設(shè)備高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)裝置的穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

2) 設(shè)計(jì)信號(hào)接收裝置，編寫就地顯示軟件界面，信號(hào)采集與接收采用無(wú)線傳輸，信號(hào)接收與顯示采用有線連接的方式。設(shè)備溫度信號(hào)進(jìn)行分段傳輸，加強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及抗干擾性能。

3 裝置主要組成

該套裝置主要由旋轉(zhuǎn)設(shè)備的溫度信號(hào)采集裝置、就地信號(hào)接收裝置、PC端數(shù)據(jù)分析3部分組成。圖1為溫度信號(hào)無(wú)線傳輸裝置設(shè)計(jì)的示意圖。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

3.1 溫度信號(hào)采集裝置

信號(hào)采集裝置主要由溫度信號(hào)采集模塊、信號(hào)變送器、供電模塊、信號(hào)發(fā)送模塊組成。機(jī)械設(shè)備的溫度信號(hào)采集使用PT100溫度傳感器作為主要的測(cè)溫元件，變送器將采集到的溫度信號(hào)變換成4～20 mA的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)傳輸給就地信號(hào)接收端。設(shè)計(jì)合理的裝置結(jié)構(gòu)，在裝置內(nèi)加裝電源模塊，采用電池給整個(gè)裝置供電，1～2 a更換一次電池，相較其他供電方式降低了安裝更換難度，適用于復(fù)雜工況及實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。圖2為該溫度信號(hào)采集過(guò)程示意圖。

1) 測(cè)量單元。測(cè)溫單元采用PT100鉑電阻進(jìn)行溫度信號(hào)采集，運(yùn)用其電阻和溫度成特定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)而來(lái)采集溫度信號(hào)；其中傳感器電阻與溫度的關(guān)系算式為:

Rt=R0(1+A×t+B×t)

(1)

式中：R0為溫度在0℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值；A、B為分度常數(shù)；t為溫度。

將測(cè)溫單元安裝在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，在機(jī)械設(shè)施運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度數(shù)據(jù)。

2) 信號(hào)處理。本次裝置的信號(hào)變送器采用直流電信號(hào)4～20 mA，穩(wěn)定的信號(hào)傳輸、不容易受干擾，電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，回路上串聯(lián)的導(dǎo)線電阻不影響精度。由變送器將PT100溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)變換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)傳輸給就地信號(hào)接收端。

3) 電池供電。信號(hào)采集與接收分開(kāi)，信號(hào)采集封裝在一個(gè)硬件盒中(自己設(shè)計(jì))，配置供電方式，使用電池給溫度信號(hào)采集裝置進(jìn)行供電，每隔15 min采集一次，電池供電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～2 a，便于更換維護(hù)。

后期針對(duì)不同設(shè)備監(jiān)測(cè)需求加裝不同傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種模擬量信號(hào)(應(yīng)變、電壓、電流、熱電偶、熱電阻、RTD、電阻)或數(shù)字信號(hào)(數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)、頻率信號(hào)、CAN總線、RS-458/232/422)進(jìn)行測(cè)量。

3.2 信號(hào)接收裝置

設(shè)計(jì)信號(hào)接收端的裝置結(jié)構(gòu)，通過(guò)Wi-Fi進(jìn)行信號(hào)傳輸，接收現(xiàn)場(chǎng)采集裝置發(fā)送的設(shè)備運(yùn)行溫度變化狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)，加裝SD卡將采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)該裝置具有就地?cái)?shù)字顯示功能，便于現(xiàn)場(chǎng)的觀察及設(shè)置，可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定采集間隔、數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、報(bào)警上下限等參數(shù)。同時(shí)，數(shù)據(jù)接收裝置使用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通訊的功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控與顯示。

3.3 PC端數(shù)據(jù)分析

就地信號(hào)接收裝置將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)在PC端數(shù)據(jù)庫(kù)中，編寫PC端監(jiān)控軟件，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、報(bào)警記錄等功能。完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和歷史報(bào)警查詢，對(duì)比分析能夠給管理員對(duì)于裝備出現(xiàn)故障的原因及日常維護(hù)給與參考依據(jù)。

3.4 主要工況參數(shù)

1) 被測(cè)件溫度信號(hào)：可監(jiān)測(cè)的機(jī)械設(shè)備溫度范圍0 ℃～200 ℃；

2) 信號(hào)傳輸距離：利用Wi-Fi發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，信號(hào)傳輸距離>100 m；

3) 供電方式：信號(hào)傳輸裝置內(nèi)置電池，間隔15 min執(zhí)行一次溫度信號(hào)采集，電池供電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～2 a。

4 結(jié)論

溫度傳感器無(wú)線傳輸裝置主要是將信號(hào)采集與接收區(qū)分開(kāi)，采用電池給采集裝置供電，使用Wi-Fi進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸距離可達(dá)到100 m，現(xiàn)場(chǎng)操作員可實(shí)時(shí)在較遠(yuǎn)距離了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保障設(shè)備高效率運(yùn)行的同時(shí)使人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)高噪音的環(huán)境。該裝置現(xiàn)已通過(guò)驗(yàn)收并已投入使用,滿足了設(shè)計(jì)要求。