孫洪喜，鄔立春

（軟控股份有限公司，山東 青島 266045）

溫度是電力設(shè)備運行的重要參數(shù)[1-5]。目前，包括輪胎企業(yè)在內(nèi)的大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)依然采用人工巡檢制度檢測溫度是否超標。人工巡檢工作量大、周期長，間隔時間至少為2 h。在人工巡檢間隔時間內(nèi)，無法及時獲知開關(guān)柜進出線節(jié)點電流異常和溫度過熱，從而存在火災(zāi)隱患。

目前輪胎企業(yè)主流的測溫方案為傳統(tǒng)的有線測溫和無線智能測溫。有線測溫是輪胎企業(yè)傳統(tǒng)的測溫方案，周期長、施工復(fù)雜、效率低、不易管理，發(fā)生故障時需耗費大量人力和物力分析、排查與重新鋪設(shè)線纜。無線智能測溫能夠規(guī)避有線測溫的缺點，無需更換電源和布線，施工難度低、安全性和精度高、功耗小、靈活，易使用和維護。

本工作介紹無源無線智能測溫系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，為輪胎企業(yè)選用適宜的測溫方案提供指導(dǎo)。

1 測溫方案對比

輪胎企業(yè)常用的幾種測溫方案見表1。從表1可以看出，無源無線是最佳的測溫方案。該方案可以24 h不間斷檢測關(guān)鍵節(jié)點的溫度，溫度過高時可以及時預(yù)警，提醒設(shè)備維護人員進行預(yù)防，從而避免發(fā)生火災(zāi)；實時監(jiān)控的預(yù)警機制既可以降低人工成本，又可以避免事故。無源無線智能測溫系統(tǒng)必將成為輪胎企業(yè)未來主流的測溫方案，其設(shè)計必須遵循嚴格的規(guī)則。

表1 輪胎企業(yè)常用的幾種測溫方案

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

無源無線智能測溫系統(tǒng)的設(shè)計基于單片機控制原理，遵循如下原則。

（1）協(xié)議兼容：開發(fā)底層數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器，兼容不同溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，功能平臺配置兼容不同溫度傳感器的系統(tǒng)。

（2）實時監(jiān)控：設(shè)定標準，實時監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，對異常現(xiàn)象及時報警。

（3）操作簡單：Web功能平臺采用最新的Windows圖形界面，支持Windows XP/Vista/7/8/10/Server操作系統(tǒng)，可用純鍵盤和鼠標操作。

（4）易于擴充：保證系統(tǒng)的開放性與可擴充性，方便業(yè)務(wù)的擴展和系統(tǒng)擴容，適應(yīng)輪胎企業(yè)未來發(fā)展需要。

（5）穩(wěn)定性：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，支持24×7 h運行，誤差范圍≤1 ℃。

（6）分布式：各節(jié)點獨立計算自己的位置[6]，網(wǎng)絡(luò)拓展時靈活，節(jié)點之間不產(chǎn)生干擾。

（7）數(shù)據(jù)安全保密：支持MS SQL Server/Oracle數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)加密以保證安全。采用嚴格的權(quán)限管理，杜絕未經(jīng)授權(quán)的訪問。

2.2 設(shè)計架構(gòu)

無源無線智能測溫系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標準ISA-95，采用模塊化和平臺化設(shè)計，設(shè)計架構(gòu)分為傳感層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和展示層（見圖1）。

圖1 無源無線智能測溫系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

（1）傳感層：部署無源傳感器，分布到變電站各關(guān)鍵節(jié)點，并部署感知節(jié)點，實時獲取傳感器信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

（2）傳輸層：將溫度通過以太網(wǎng)（Ethernet）等有線網(wǎng)絡(luò)或通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）傳輸?shù)椒?wù)器上存儲。有線網(wǎng)絡(luò)比無線網(wǎng)絡(luò)速率快，但僅限于部署易于布線的場所；GPRS適用于空間廣闊、環(huán)境惡劣、不易布線的場所。

（3）數(shù)據(jù)層：部署各節(jié)點數(shù)據(jù)的實時采集，為保證數(shù)據(jù)的傳輸與存儲效率，本系統(tǒng)采用壓縮算法將數(shù)據(jù)壓縮傳輸并存儲到服務(wù)器中。

（4）展示層：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析，出現(xiàn)異常時進行預(yù)警提示，顯示查詢、預(yù)警、報警、故障記錄和統(tǒng)計分析報表，滿足變電站管理與統(tǒng)計需求。完善的統(tǒng)計分析報表可以為輪胎企業(yè)節(jié)能降耗管理提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)集成了用電溫度和設(shè)備關(guān)鍵部位溫度的采集、管理和分析，并對數(shù)據(jù)進行有效的挖掘分析，可以幫助輪胎企業(yè)管理人員獲知設(shè)備用電的安全分配方案。

為保證數(shù)據(jù)能夠及時有效傳輸，減少數(shù)據(jù)的存儲空間，降低硬件成本，還需對數(shù)據(jù)進行壓縮傳輸和存儲。

2.3 壓縮算法

基于安全需要，本系統(tǒng)需實時采集現(xiàn)場關(guān)鍵點的溫度。由于溫度采集頻率較快（每1～3 s采集1次），數(shù)據(jù)量大，為了節(jié)省存儲空間，本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)門的壓縮算法對數(shù)據(jù)進行壓縮存儲[7]。該算法結(jié)合異常標準報警，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲。基本原理如下：分析當前數(shù)據(jù)點與前一個被保留的數(shù)據(jù)點所構(gòu)成的壓縮偏移覆蓋區(qū)來取舍數(shù)據(jù)。如果壓縮偏移覆蓋區(qū)可以覆蓋兩者之間的所有點，則不保留該數(shù)據(jù)點；如果有數(shù)據(jù)點落在壓縮偏移覆蓋區(qū)之外，則保留當前數(shù)據(jù)點的前一個點，并以最新保留的數(shù)據(jù)點作為新的起點。當前數(shù)據(jù)點如果超出報警標準，則保留該數(shù)據(jù)點，但不作為壓縮存儲的節(jié)點。

為了通過采集的數(shù)據(jù)快速判斷、報警、顯示和分析，本系統(tǒng)采用內(nèi)存式數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，同時采用線程對數(shù)據(jù)進行壓縮。壓縮原則是超出標準的異常數(shù)據(jù)全部保存，對正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行高度壓縮。經(jīng)該算法壓縮保存后，本系統(tǒng)在設(shè)定精度范圍內(nèi)根據(jù)曲線擬合度恢復(fù)數(shù)據(jù)。根據(jù)客戶對數(shù)據(jù)敏感度的要求，本系統(tǒng)可以結(jié)合采集數(shù)據(jù)的實際情況設(shè)定不同的壓縮精度，從而形成較精準的數(shù)據(jù)壓縮存儲機制。數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器中可以實現(xiàn)永久存儲，本系統(tǒng)可以隨時提取分析數(shù)據(jù)。

2.4 功能模塊

無源無線智能測溫系統(tǒng)分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理四大功能模塊，見圖2。參數(shù)設(shè)置模塊可對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集；數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)警與報表分析；系統(tǒng)管理模塊對權(quán)限進行嚴格控制，避免無權(quán)限用戶操作本系統(tǒng)。

圖2 智能測溫系統(tǒng)功能模塊

（1）參數(shù)設(shè)置。①端口參數(shù)設(shè)置：設(shè)置傳感器的端口、GPRS和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩丝谔柕榷丝趨?shù)。②系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置采集頻率、數(shù)據(jù)庫IP地址、端口號、用戶名、密碼、壓縮算法和壓縮系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)采集。①設(shè)備管理：管理各采集節(jié)點信息，形成設(shè)備節(jié)點臺賬，并根據(jù)管理情況進行分組管理。②協(xié)議設(shè)置：根據(jù)采集點參數(shù)配置實際采用的通訊協(xié)議，并且進行通訊配置。③數(shù)據(jù)采集：實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換采集，并且將數(shù)據(jù)采集到服務(wù)器存儲。④壓縮管理：設(shè)置壓縮數(shù)據(jù)的算法和壓縮比率、壓縮質(zhì)量等信息；根據(jù)設(shè)置參數(shù)對數(shù)據(jù)進行壓縮存儲。

（3）數(shù)據(jù)分析。①曲線分析：將采集的數(shù)據(jù)形成趨勢分析曲線，標注異常點，實現(xiàn)溫度實時的監(jiān)控分析。②數(shù)據(jù)報表分析：根據(jù)時間等查詢條件對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，按客戶需求進行不同維護的報表分析，為企業(yè)管理提供數(shù)據(jù)支持；實現(xiàn)工廠內(nèi)各項溫度數(shù)據(jù)的實時采集和統(tǒng)計分析等管理需求。③報警分析：對于異常數(shù)據(jù)及時形成報表，以郵件和短信等形式進行發(fā)送。④預(yù)警管理：對大型設(shè)備和關(guān)鍵部件溫度進行監(jiān)控，異常預(yù)警報警，保證設(shè)備使用安全，對于報警等及時發(fā)送到相關(guān)責任人，實現(xiàn)無人巡檢管理模式。

3 應(yīng)用分析

無源無線智能測溫系統(tǒng)屬于遠距離、無源無線、分布式實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電網(wǎng)和變電站等溫度檢測，除了輪胎企業(yè)以外，也適用于大型戶外設(shè)備、易燃易爆等危險場所以及無法靠近的高壓線和電纜等。本系統(tǒng)部分應(yīng)用場景見圖3—5。

圖3 輪胎生產(chǎn)測溫

圖4 高壓電測溫

圖5 高壓鍋爐測溫

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗，結(jié)合高校及科研院所的專業(yè)技術(shù)，我公司研發(fā)無源無線測溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)有線測溫系統(tǒng)的工作方式與管理模式，可以實時監(jiān)測溫度，異常預(yù)警報警，大幅降低了斷電故障，減小了輪胎企業(yè)80%的巡檢工作量，提高了管理效率，值得在輪胎企業(yè)中推廣。