謝云鵬， 張 帆， 李孟秋

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

液力耦合器為代表的大功率高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接部件被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟支柱型產(chǎn)業(yè)。液力耦合器是聯(lián)結(jié)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(tǒng)大力推廣應(yīng)用的調(diào)速手段之一，是提高電機啟動性能、改善傳動品質(zhì)、減少電能損耗、調(diào)節(jié)工藝運行狀態(tài)的有效方法[1]?，F(xiàn)在的制造業(yè)大多數(shù)是由現(xiàn)代信息和傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合發(fā)展，并逐漸向更高程度的集成、信息化發(fā)展。而信息化發(fā)展所需的各種物理量的檢測和傳輸技術(shù)則是信息化發(fā)展的基礎(chǔ)，更是利用數(shù)據(jù)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程服務(wù)與優(yōu)化的前提。對狀態(tài)參數(shù)形成一體的自主感知，同時可以做出相應(yīng)調(diào)整的智能制造系統(tǒng)，使測試技術(shù)由傳統(tǒng)的非現(xiàn)場、事后測試轉(zhuǎn)換成裝備制造環(huán)節(jié)和裝備使用環(huán)節(jié)測試，實現(xiàn)物理量的在線狀態(tài)監(jiān)測[2]。電機傳動部件的安全高效運行是大功率高速旋轉(zhuǎn)設(shè)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(tǒng)。目前國內(nèi)大部分生產(chǎn)單位對這些傳動部件的維護工作基本都是采取傳統(tǒng)的人工檢測方式。狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷可以在生產(chǎn)過程中保證設(shè)備安全運行，避免關(guān)鍵設(shè)備的停機而產(chǎn)生不必要的損失[3]。而對于液壓型傳動設(shè)備內(nèi)部的關(guān)鍵參數(shù)——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(jiān)控方案，該方案使用PLC對現(xiàn)場液力耦合器的溫度、壓力與轉(zhuǎn)速實時監(jiān)控[4]。其使用分立探測器進行監(jiān)控，現(xiàn)場PLC搜集數(shù)據(jù)后發(fā)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(shù)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(shè)計難點，設(shè)計了基于無線通信的液力耦合器監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計了基于易熔塞改造的液力耦合器內(nèi)置式傳感器。該傳感器可直接測量腔體內(nèi)部的溫度和壓強參數(shù)，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(tài)數(shù)據(jù)并通過433 MHz的射頻通信技術(shù)發(fā)送至由STM32為核心的現(xiàn)場接收裝置?，F(xiàn)場接收裝置與中控端組成由Lora通信技術(shù)構(gòu)建的局域網(wǎng)?，F(xiàn)場設(shè)備使用分布式布置，各自采集數(shù)據(jù)后由中控室進行集中分時輪詢監(jiān)控，可同時監(jiān)測幾十臺耦合器設(shè)備，使在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)部分更加有效和便捷，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使機組管理更方便快捷[7]。中控終端獲取到耦合器狀態(tài)數(shù)據(jù)后傳送給中控進行實時監(jiān)控報警并將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器處，廠家也可通過便攜式設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)工作原理描述

基于無線射頻通信的液力耦合器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置和數(shù)據(jù)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(zé)完成油壓、溫度、電池電量和設(shè)備加速度的采集，并通過外接的射頻電路板實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器負責(zé)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機進行數(shù)據(jù)采集處理通過現(xiàn)場LCD進行顯示并使用Lora通信技術(shù)實現(xiàn)局域組網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端。數(shù)據(jù)接收終端負責(zé)接收來自一個或多個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)據(jù)，接收終端與液晶顯示器通過RS232通信電路進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)實時監(jiān)控、命令處理和報警功能。

圖1 液力耦合器監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

2.1 傳感器設(shè)計

傳感器的工作環(huán)境一般存在電磁、機械干擾強等因素，檢測對象參數(shù)變化大，且易受到濕度、溫度、粉塵等外界因素影響。要求現(xiàn)場器件具有靈敏度高、抗干擾強、參數(shù)檢測動態(tài)性良好，且具有可長期持續(xù)性工作的特點[8]。為達到以上設(shè)計要求，設(shè)計了新型傳感器設(shè)備，其固定在液力耦合器的易熔螺塞內(nèi)部，并且在盡可能不改變耦合器外觀、不破壞力學(xué)平衡的前提下，可以比較準確地獲取到耦合器內(nèi)部溫度和壓強參數(shù)。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(yīng)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(fā)射功能模塊進行傳感器裝置功能設(shè)計。由于SP370芯片具有較高的功能集成度，內(nèi)核是8051微處理器，所以安裝檢測終端硬件設(shè)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(dāng)耦合器內(nèi)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(nèi)氣體從安裝有易熔塞的孔中排出[10-11]。

根據(jù)液力耦合器和易熔塞的工作特點，傳感器設(shè)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(xué)平衡這幾個方面的設(shè)計難點。

圖3 傳感器硬件電路

本設(shè)計方案中傳感器電子元件和連接部件使用耐高溫材質(zhì)。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(zhuǎn)散發(fā)熱量，避免電池因溫度過高發(fā)生快速掉電或損壞的現(xiàn)象。由于傳感器是放置在直徑8 mm易熔螺塞中，內(nèi)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(shè)計，各部件單獨完成后再組裝入螺塞內(nèi)部后使用結(jié)構(gòu)膠進行密封。考慮到金屬屏蔽效應(yīng)，將天線板置于最外側(cè)有利于無線數(shù)據(jù)傳輸。

實驗表明，設(shè)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(zhì)量為10.5 g，填充結(jié)構(gòu)膠固化封裝后，傳感器整體質(zhì)量與易熔塞原本質(zhì)量最大誤差為5 g，小于廠家要求最大質(zhì)量偏差±25 g，滿足液力耦合器動平衡要求。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)計

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器關(guān)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(shè)計簡單、易于調(diào)試、接收靈敏度高、抗干擾能力強、成本低[12]的優(yōu)點。板載Lora模塊與單片機串口(USART1)進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器與接收終端配合使用可在廠區(qū)范圍內(nèi)實現(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng)。

圖4 TDA5235硬件電路

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和傳感器一般安裝在工作電機附近，工作環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾較強?，F(xiàn)場安裝測試結(jié)果表明，為實現(xiàn)比較可靠的無線通信，保證傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器之間的傳輸效果，安裝時傳感器裝置與轉(zhuǎn)發(fā)裝置的天線距離宜控制在5 m以內(nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)接收終端設(shè)計

數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)鸟詈掀鬟\行狀態(tài)數(shù)據(jù)。Lora通信模塊采用SX1278射頻芯片設(shè)計開發(fā)，發(fā)射頻率為433 MHz，最大發(fā)射功率1 W，具有高穩(wěn)定性、高抗干擾性的特點?，F(xiàn)場基本上無須施工，也無須大規(guī)模布線，安裝、組網(wǎng)十分方便。

為保證廠區(qū)內(nèi)組網(wǎng)通信狀態(tài)穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場安裝測試結(jié)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(qū)內(nèi)多建筑情況下可以在3 km范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠通信，基本可以滿足實際使用需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器設(shè)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(diào)用相應(yīng)的SP370提供的庫函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)射、串口參數(shù)配置。數(shù)據(jù)采樣功能是通過SP370內(nèi)部集成的功能模塊來實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(shù)進行調(diào)節(jié)，使其溫度產(chǎn)生快速變化、快速跟隨的效果，待溫度穩(wěn)定后逐漸降到比例環(huán)節(jié)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(yù)計數(shù)器(ITPL和ITPH)和對LC分頻后獲得持續(xù)時長實現(xiàn)的，具體計算方法為：休眠時間=(間隔計時器預(yù)計數(shù)器)/LC振蕩器頻率/分頻系數(shù)。正常檢測工作時，傳感器每休眠2 s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，傳感器在休眠期間功耗最低。另外，設(shè)計了低功耗模式，即若設(shè)備長時間不工作，SP370加速度檢測的寄存器值低于30且持續(xù)5 min時，則進入低功耗模式，在此模式下傳感器每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)。其目的是使傳感器在保持監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)的同時將功耗降低，延長使用時間。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)計

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器軟件設(shè)計主要包括了射頻接收、LCD顯示、按鍵對碼、Lora組網(wǎng)通信，軟件流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器流程

芯片TDA5235使用英飛凌官方軟件進行芯片參數(shù)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(diào)用即可。TDA5235接收到來自檢測模塊的數(shù)據(jù)包后，對收到的數(shù)據(jù)包進行CRC檢驗，在剔除錯包誤包后，將校驗過后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)[13]。使用SP370的ID進行按鍵對碼，實現(xiàn)現(xiàn)場的傳感器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器進行一對一數(shù)據(jù)傳輸，避免附近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器接收到其他傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生串?dāng)_，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(tài)數(shù)據(jù)進行上傳。

3.3 數(shù)據(jù)接收終端設(shè)計

數(shù)據(jù)接收終端主要承擔(dān)數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)，以及與中控液晶進行數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)上傳云端服務(wù)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(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)并進行實時顯示，如圖8所示?？刂浦噶畹淖饔檬峭ㄟ^液晶改變下發(fā)命令的指定位控制接收終端的繼電器動作產(chǎn)生聲光報警。修改通信地址指令，通過終端下發(fā)指令給指定的轉(zhuǎn)發(fā)器進行輪詢通信地址修改，以達到便捷組網(wǎng)、自由組網(wǎng)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(jiān)測旋轉(zhuǎn)設(shè)備的一個最重要也是最基本的參數(shù)，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(nèi)部情況，選用循環(huán)加熱絕緣油溫箱實現(xiàn)溫度標定實驗。溫度計采用的是工業(yè)鉑熱電阻感溫元件，精度保證在±0.1 ℃。實驗結(jié)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(jié)果良好，測量誤差小。

表1 溫度標定實測結(jié)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(zhuǎn)會導(dǎo)致耦合器溫度急劇升高[14]。重載連續(xù)起動也會造成耦合器溫度累積上升[10]。為了應(yīng)對急劇升溫現(xiàn)象，保障設(shè)備安全運行，進行了溫度跟隨測試，結(jié)果如圖9所示。實驗結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度開始變化后可以在12 s內(nèi)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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)的，實驗結(jié)果如表2所示。為保證測試準確性，進行測試實驗中執(zhí)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(jié)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(shè)備要求連續(xù)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(fā)射數(shù)據(jù)期間電流5 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時間10 ms，裝置休眠電流0.5 μA，休眠模式為2 s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，低功耗模式為每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)。

表2 壓強實測結(jié)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(xù)工作期間功耗：

P1=T(連續(xù)工作總周期數(shù))×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(shù))×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(xù)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(lián)，測試電池同時為30個傳感器持續(xù)供電時長。測試結(jié)果如表3所示。經(jīng)換算可知，單個紐扣電池可連續(xù)為傳感器供電時長均在1.6年以上，與預(yù)估使用時長相近。

表3 時長實測結(jié)果

5 結(jié)束語

以液力耦合器為代表的傳統(tǒng)傳動部件應(yīng)用廣泛，但是對這類關(guān)鍵部件的監(jiān)控手段還很原始。使用筆者設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)可直接對液力耦合器內(nèi)部狀態(tài)進行準確測量，且可遠程實時監(jiān)控并及時預(yù)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(yù)見性維護發(fā)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(xué)結(jié)構(gòu)前提下做到體積小、功耗低、精準度高、產(chǎn)品競爭力強?？梢灶A(yù)見可內(nèi)置的液力耦合器狀態(tài)監(jiān)測裝置和基于無線組網(wǎng)的實時監(jiān)測系統(tǒng)將逐漸成為行業(yè)趨勢。且該監(jiān)測系統(tǒng)為后期設(shè)備數(shù)據(jù)入網(wǎng)監(jiān)控奠定了軟硬件基礎(chǔ)，也為液力耦合器機組故障診斷技術(shù)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為系統(tǒng)向可視化、智能化的監(jiān)測及控制方向發(fā)展提供了充足的條件。