温度传感器无线传输装置的研制

2020-01-13姜文苏

煤矿机电 2019年6期

姜文苏

(中国煤炭科工集团上海有限公司，上海 201400)

0 引言

在工业采矿的掘进机使用中，类似滚筒、齿轮这类旋转件，都因受力不均而造成设备运行时温度升高，导致设备损坏事件时有发生，且现有传统的接线方式根本无法满足旋转设备实时温度监测的功能需求，对此开发研制了一套温度传感器无线传输装置，通过该套装置可实时监测设备在运行时温度的变化情况，并根据实时温度参数的变化了解装备运行状态，通过测量数据的记录和分析，可有针对性地对设备进行一定的保养及维护，以提高工作效率，保障机械设施高强度运转的同时延长机械寿命。

1 常用监测方式存在的问题分析

原始的设备监测技术，是依靠技术员的耳朵、眼睛、手等感官，即纯粹依靠技术人员的工作经验，该监测方式低效、原始、不可靠,且针对大型机械及设备工作环境恶劣的场所，无法进行人工监测。随着传感器技术的发展，现代设备监测多采用在设备多个测点安装传感器采集运行状态信息，再经数据传输，由专业设备进行数据处理与分析。目前，主流监测模式有以下3种方式：

1) 离线定期监测。离线监测是指通过专业的检测人员定期到装置现场，采用在监测机械设备的多个测点安装传感器的方法实现监测，记录下数据信息，再由专业的计算机或便携机进行数据处理。

2) 在线检测离线分析。在线监测即主从机监测方式，从机系统执行各测点传感器数据的采集与处理功能，主机系统再汇总数据、执行数据的分析与判别。

3) 自动在线监测。自动在线监测,即对设备的运转状态执行实时监测、现地数据处理分析及及时判断故障报警及信息显示、记录。

针对旋转机械状态监测，为实现实时监测机械设施在运转过程中温度变化情况的功能需求，离线定期监测的方式不能满足条件。为顺应互联网时代“万物互联”的潮流，针对机械设施现场复杂的使用环境，达到旋转机械运转时的实时监控功能，采用自动在线监测方式。该方案无需频繁地更换测点，能完成在线检测和实时报警功能；经由一般操作人员依据相关专家经验及参数标准即可进行机械运转情况的判定，简单高效,这就是开发研制了温度传感器无线传输装置。

2 温度传感器无线传输装置设计思路

2.1 主要原理

设计的该套装置系统主要采用了多段信号传输的方式，其采集装置与信号接收装置使用无线传输，信号接收装置与PC利用有线连接,以保障设备运行时信号的稳定传输。温度信号采集装置采用电池供电，便捷高效，保障装置的持续性运行。

2.2 装置的主要功能

1) 设备温度实时监测。传感器装置加装在旋转机械设备上，采用电池供电，实时传输装备的温度变化信息。

2) 就地温度显示。通过在信号接收装置中加入数字显示模块，便于现场操作人员掌握设备运转的状态信息。

3) 报警查询模块。完成旋转机械设备的实时报警显示和历史报警查询，对比分析能够给管理员对于装备出现故障的原因及日常维护给与参考依据。

4) 信号分段传输。就地信号采集与接收装置分开，采用Wi-Fi进行信号传输，信号接受端与远程控制室可采用现场总线形式进行数据交互，保障信号传输的抗干扰能力。

5) 远程显示。远程控制室PC端通过数据库软件调用显示信号接受装置中存储的内容。

2.3 研制中的难点

1) 信号采集装置安装在设备端，保障机械设备高速转动时装置的稳定、持续运行。

2) 设计信号接收装置，编写就地显示软件界面，信号采集与接收采用无线传输，信号接收与显示采用有线连接的方式。设备温度信号进行分段传输，加强信号传输的稳定性及抗干扰性能。

3 装置主要组成

该套装置主要由旋转设备的温度信号采集装置、就地信号接收装置、PC端数据分析3部分组成。图1为温度信号无线传输装置设计的示意图。

图1 总体架构示意图

3.1 温度信号采集装置

信号采集装置主要由温度信号采集模块、信号变送器、供电模块、信号发送模块组成。机械设备的温度信号采集使用PT100温度传感器作为主要的测温元件，变送器将采集到的温度信号变换成4～20 mA的信号，通过信号发送模块将数据传输给就地信号接收端。设计合理的装置结构，在装置内加装电源模块，采用电池给整个装置供电，1～2 a更换一次电池，相较其他供电方式降低了安装更换难度，适用于复杂工况及实现节能环保的目的。图2为该温度信号采集过程示意图。

1) 测量单元。测温单元采用PT100铂电阻进行温度信号采集，运用其电阻和温度成特定的函数关系进而来采集温度信号；其中传感器电阻与温度的关系算式为:

Rt=R0(1+A×t+B×t)

(1)

式中：R0为温度在0℃时铂热电阻的电阻值；A、B为分度常数；t为温度。

将测温单元安装在旋转设备上，在机械设施运行时，实时采集旋转机械的温度数据。

2) 信号处理。本次装置的信号变送器采用直流电信号4～20 mA，稳定的信号传输、不容易受干扰，电流源内阻无穷大，回路上串联的导线电阻不影响精度。由变送器将PT100温度传感器采集到的温度信号变换成4～20 mA标准信号，通过信号发送模块将数据传输给就地信号接收端。

3) 电池供电。信号采集与接收分开，信号采集封装在一个硬件盒中(自己设计)，配置供电方式，使用电池给温度信号采集装置进行供电，每隔15 min采集一次，电池供电时间长达1～2 a，便于更换维护。

后期针对不同设备监测需求加装不同传感器，实现对多种模拟量信号(应变、电压、电流、热电偶、热电阻、RTD、电阻)或数字信号(数字信号、脉冲信号、频率信号、CAN总线、RS-458/232/422)进行测量。

3.2 信号接收装置

设计信号接收端的装置结构，通过Wi-Fi进行信号传输，接收现场采集装置发送的设备运行温度变化状态数据信号，加装SD卡将采集到数据进行存储。设计该装置具有就地数字显示功能，便于现场的观察及设置，可以在现场设定采集间隔、数据发送间隔、报警上下限等参数。同时，数据接收装置使用现场总线实现与主机通讯的功能，实现远程的监控与显示。