面向再制造的盾构温度传感器检测平台设计

王春晓，韩伟锋，宋 欣，吴玉青

（1.中铁隧道局集团有限公司设备分公司，河南 洛阳 471000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；3.天津农学院工程技术学院，天津 300392）

目前，全球隧道施工技术飞速发展，盾构作为一种用于地下空间开发的大型工程机械，服役设备的数量在逐年增加。据不完全统计，截至2020 年，仅我国中铁系统就保有盾构500 多台，硬岩掘进机数十台[1]。仅以我国为例，目前在建隧道工程中，所使用的皆为全新的盾构，当隧道贯通后盾构的实际服役时间还不到其使用寿命的一半，如果没有后续适用的工程，将会导致大量设备的闲置，以至于后期会发展到自然老化和技术落后，带来很大的经济损失。数据表明2 台硬岩盾构经过5 年时间的存放就要8 000 多万的资金才能修复，而通过再制造技术可以拓宽这些设备的使用范围，使其再度服役[2-3]。此外，随着服役设备逐步进入“老龄化”阶段，将会有一大批报废的盾构产生，而针对此类设备进行修复和再制造同样可以带来可观的经济效益，为施工企业节约大量成本[4-5]。

对盾构进行再制造的过程中，充分利用原有设备的电器元件和线路是降低再制造成本的关键要素。因此，在再制造前期和制造过程中就必须对设备进行全面的状态评估和元器件检测。若想达到这一目的所面临的困难主要有以下3 点：①盾构装备体积庞大导致控制线路过长；②设备内部结构复杂，空间位置布局狭小；③再利用元器件存在不确定、不稳定等因素，上述问题会给现场故障排查带来很大的困难，从而导致再制造设备作业可靠性不足，再制造周期增加等情况出现。因此，设计一种面向再制造的盾构传感器检测平台，在再制造前或者再制造过程中随时进行性能检测就显得尤为重要。

温度传感器是盾构中最常见和最重要的传感器之一，被用于盾构液压油、齿轮油、内循环水、主减速机以及电机等运行温度的监控。为此，本文提出一种面向再制造的盾构温度传感器检测平台设计方案，采用基于置信距离的数据一致性检验方法，实现了对温度传感器的快速、便捷检测。

1 面向再制造的盾构温度传感器检测平台

1.1 检测原理

首先，将待测温度传感器和标准温度传感器放置在1 个加热腔中，当加热腔注入水后，可由PLC 对其进行温度控制，实现在测试区间范围内温度的线性变化。其次，通过PLC 实时采集标准温度传感器和待测温度传感器的输出值；接着，采用基于置信距离的数据一致性检验方法计算待测温度传感器与标准传感器输出值间的置信距离，并将该值与预先设定的一致性检测阈值进行对比，低于或等于阈值为合格，高于阈值为不合格，从而检测出待测传感器的性能指标是否符合再制造的要求。检测流程如图1 所示。

图1 检测流程图

1.2 基于置信距离的数据一致性检测方法

判断待测传感器测量值的准确性是检测传感器是否正常有效的重要依据。传统的方法是以比较待测传感器和标准传感器测量值的差值是否在预期范围内作为检测依据，未考虑不同型号传感器间会存在测量误差的差异。而且，对于标准传感器出现损坏的状况无法做出及时的判断，可能造成对待测传感器误判的情况发生。因此，本文提出一种基于置信距离的数据一致性检测方法，考虑了不同型号传感器的性能差异，同时也能够及时发现标准传感器出现工作异常的状况。

置信距离D表征的是2个采集数据间的偏离，其计算公式[6]为

其中，P（）是概率函数；Z为随机变量，服从标准正态分布N(0，1)；Ti，Tj分别为标准传感器和待测传感器的测量值；σi，σj分别为标准和待测传感器的标准差。由式(1)可知，Dij具备统计学意义，其值越小，意味着Ti与Tj的一致性越高，反之则越低。

数据一致性检测方法是：首先根据检测精度要求，设定一个一致性检测阈值εij；其次，根据式(1)计算Dij；最后，将得到的一系列Dij与εij进行比较，全部测量数据低于εij的判断为合格，存在高于εij的情况则判定为不合格。同理，如果标准传感器与理想温度间的置信距离超出阈值，则判定该传感器异常。如图2 所示，图中水平线为检测阈值εij，黑线（不带圆点标记）为标准传感器与理想温度间的置信距离，黑线（带圆点标记）为待测传感器与标准传感器间的置信距离。

1.3 检测平台总体设计方案

检测平台主要由检测单元和控制单元组成，其中检测单元包括加热系统和水循环系统，如图3所示。加热系统由加热腔、排气阀、液位开关和加热器组成。加热腔内部的加热管与加热腔的轴线呈水平安装，其长度与加热腔内部长度基本一致，以确保加热腔内各个位置温度的均衡性。待加热管通电后与装置中的水充分接触，使得加热器中同一高度横向水位的水均匀快速达到同一指定温度，并使各个位置的水温保持一致。将多个温度传感器的安装孔按照同角度、同高度均布在加热腔上，以确保温度传感器探头进入的角度和深度一致，从而有利于获得精准的检测数据；水循环系统由水箱、潜水泵、电磁阀、液位开关及各类软管组成。其中，2 个液位开关分别用于保障水箱和加热腔中的水量达到指定高度；当开始检测时，启动水泵并打开进水阀，由水箱向加热腔中注水；当检测结束后，打开加热腔排水阀，将加热腔中的水排出到水箱中，同时将水箱中的水注入到加热腔中，使加热腔快速降温，准备下一轮检测。

图3 温度传感器检测单元结构示意图

控制单元以PLC为核心控制器，用于接收上位机指令，控制检测平台执行元件的动作，实现检测平台的手动调试和各种试验的自动运行，以及实现数据采集和试验数据的处理，是整个控制系统的核心部分。上位机为工业触摸屏控制加管理机的模式，工业触摸屏为用户提供人机界面，试验人员可通过人机界面完成对检测平台的操作，包括手动调试和各类试验的自动运行；管理机可对试验过程进行监控，对试验数据进行导出、分析等操作。

1.4 控制单元硬件系统

硬件系统主要包括PLC、工业触摸屏、工业以太网交换机、伺服控制元件、传感器和其他执行元件等。其中，PLC 选用西门子S7-1500 系列（图4），CPU为1516-3 PN，其外部存储卡是256MB，具备较大的程序容量和数据存储器，工作存储器可存储6MB 数据；CPU 反应速度快，位指令执行时间10ns；工艺功能具备运动控制、闭环控制、计数与测量等，可以很好地满足检测平台的控制需求。HMI 选用SIMATIC HMI TP1900，可使用TIA Portal V16 的WinCC Comfort 进行项目组态和运行VB 脚本实现复杂计算，并搭配西门子PLC 在同一软件平台进行编程使用，提升了控制系统的整体性能。

图4 西门子S7-1500系列PLC

1.5 控制单元软件系统

软件系统的整体架构如图5 所示，检测系统由3 个模块组成，分别是检测控制模块、数据采集模块和传感器评价模块。其中，检测控制模块包括水阀、水泵以及加热棒的温度控制，实现检测平台的加水和加热功能。图6为安装步骤界面，可引导用户对传感器进行正确的接线和固定安装。图7为参数设置界面，包括待测传感器的量程设置，避免出现过载损坏器件；温度传感器检测阈值和系统温度设定，为待测传感器的检测结果提供评价依据。

图5 软件系统架构

图6 温度传感器安装界面

图7 温度传感器参数设定界面

数据采集模块负责采集标准温度传感器与待测温度传感器的模拟量数据，将采集后的数据交由CPU 进行标准化与线性化，经过转换得到标准数值发送给人机交互，人机交互界面通过标准PROFINET 接口连接到交换机上，实现PLC 与HMI 之间的通讯，并读取转换得到的数值，显示在检测界面上，如图8 所示。该界面以可视化方式引导用户进行温度传感器的检测操作。通过实时显示标准温度传感器和待测温度传感器数值信息的变化，实现对检测全过程的监测。

图8 温度传感器检测操作界面

传感器评价模块用于对数据采集模块得到的数据进行分析处理，按照操作人员输入的阈值来判断当前传感器是否能正常，并自动输出带有当前传感器诊断信息的检测报告，供操作人员打印。

2 检测平台功能测试

待测对象选用WIKA 公司T19.10.1P0-1 型温度传感器，其测量范围是0～100℃，输入电压为10～30VDC，输出电流为4～20mA，主要用于齿轮油的温度检测，是盾构中使用最多的温度传感器型号之一。

首先，根据工业触摸屏上的安装提示，将传感器安装在检测平台上。用对丝将传感器固定拧紧，避免因漏气而影响测试结果的准确性。

其次，按照要求将线缆通过航空插头连接至检测平台的面板上。

再次，进行参数设定，设置温度最大值为80℃，数据一致性检测阈值为0.50。

最后，进入到检测界面进行检测操作，开始检测后可以在界面内观察其运行情况或进入曲线记录界面查看数据曲线。测试结束后的温度曲线如图9～图11 所示。

图9 温度传感器的曲线报表

图10 数据一致性检测结果

图11 温度传感器的检测报告

通过测试可知，该检测平台在使用过程中运行稳定，能够通过简单操作实现对盾构温度传感器性能的准确和快速检测。

3 结论

1）设计出了一种快速的、可模拟实际工况的盾构电气系统各元器件的性能优劣检测试验台及其检测方法。

2）检测平台采用了基于置信距离的数据一致性检验方法来检测温度传感器的精度，该方法能够在工业控制设备上实现，具有参考意义。

3）通过检测平台实现了智能判断温度传感器的优劣，解决了现有检测方法效率低下，无法实现盾构在停机状态下对电气系统再制造全拆全检过程超前预判问题，具有实用性强，多个温度传感器同时检测，大大提高工作效率等优点。

通过试验验证，该检测平台运行稳定可靠，能够满足对盾构温度传感器实现准确、快速和便捷检测的使用需求。此外，该设计方案还可以扩展到盾构装备中常用的土压传感器、超声波液位传感器、注浆压力传感器等多种不同类型传感器性能检测中，能够有效避免因元器件损坏而延误工程进度的情况发生，为确保再制造设备的作业可靠性提供了参考依据，同时也进一步体现了盾构绿色制造的价值理念。