分布式光纖測溫預警系統(tǒng)的應用

于廣年　王崇志

（1.營口港務集團第二分公司；2.營口港務集團第三分公司，遼寧　營口　115007）

分布式光纖測溫預警系統(tǒng)的應用

于廣年1王崇志2

（1.營口港務集團第二分公司；2.營口港務集團第三分公司，遼寧營口115007）

介紹了分布式光纖測溫預警系統(tǒng)的技術(shù)原理及在營口港二公司煤炭碼頭皮帶機的應用。通過監(jiān)測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設備運行狀態(tài)，進行安全監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)安全隱患,合理安排檢修工作避免安全事故發(fā)生。

分布光纖測溫預警系統(tǒng) ； 皮帶機； 電機；托輥；應用

皮帶機作為煤炭碼頭裝卸主要設備，因其工作量大及工作環(huán)境惡劣，依靠人工進行巡檢很難發(fā)現(xiàn)設備安全隱患。因此，對皮帶機電機、滾筒和托輥的安全監(jiān)測是非常必要的。

隨著光纖測溫技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠用光纖測溫技術(shù)實現(xiàn)溫度、電流、電壓、磁場等物理量監(jiān)測。光纖測溫技術(shù)采用的探測光纖具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、耐高壓高溫和抗電磁干擾的特點，系統(tǒng)安全可靠，在長距離測試中具有高靈敏度。

分布式光纖測溫預警系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點溫度的分布式傳感能力，光纖既是傳輸信息的導體，又是分布測量的傳感器。它能夠連續(xù)自動測量光纖沿線所在處的溫度，測量距離最大在10km范圍，空間定位精度達到1m的數(shù)量級，特別適用于需要大范圍多點測量的場所。

分布式光纖測溫預警系統(tǒng)為港口輸煤系統(tǒng)中皮帶機的安全生產(chǎn)提供了一系列集可視化、智能化、無人化于一體的數(shù)字化在線檢測方案。

一、系統(tǒng)簡介

1．分布式光纖測溫預警系統(tǒng)原理

光纖測溫的機理是依據(jù)后向拉曼(Raman)散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用,發(fā)生散射。拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現(xiàn)對光纖沿線溫度場的分布式測量（圖1）。

圖1

2.分布式光纖測溫預警系統(tǒng)組成

分布式光纖測溫預警系統(tǒng)由測溫主機和探測光纜兩部分組成。

（1）主機。

①整條光纖既傳輸信號又感應被測量。

②在長距離內(nèi)能得到高精度的溫度數(shù)據(jù)。

③測溫速度快且精度高，可用圖表形象、直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

④兼容性強。開放式通信結(jié)構(gòu)，可與第三方網(wǎng)絡（以太網(wǎng)、OPC、SCADA等）可靠方便的連接，具有靈活的遠程控制和數(shù)據(jù)輸入、輸出功能。

⑤內(nèi)置PC。專門開發(fā)的應用軟件通過易于理解的直觀圖表向操作人員提供數(shù)據(jù)。

⑥警報設置齊全。智能警報類型和配置可以根據(jù)每個項目量身定制，向操作人員發(fā)出當前或者潛在過熱部位及其它不良事件的警告。

主機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1

（2）探測光纜。

BY-SCJKBH1探測光纜是一種多模光纜，光纖表層采用可觸變的芳綸纖維加以保護，外護套為高性能的阻燃PVC材料，光纖被很好地密封以保證不受外界環(huán)境的影響，同時光纜具有優(yōu)良的熱傳導特性、機械性能、防水性能及抗腐蝕特性，可以在惡劣的環(huán)境中長期使用。光纖類型及參數(shù)見表2?？筛鶕?jù)用戶要求定制探測光纜（圖2）。

圖2

二、技術(shù)特點

（1）連續(xù)分布式的進行溫度在線監(jiān)測，沒有盲區(qū)，沒有漏測點。

（2）根據(jù)溫度變化，及時、準確地進行預警。在還沒有發(fā)生燃燒的情況下，準確監(jiān)測出溫度異常位置。

（3）光纜不怕粉塵，又可防雷?，F(xiàn)場采用特殊光纜既是傳輸信號的載體又可以測量環(huán)境溫度。

（4）固定保護夾具、鋼管經(jīng)久耐用。

（5）精度高、數(shù)據(jù)傳輸及讀取速度快，自適應性能好。

（6）系統(tǒng)軟件操作簡單，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行界面設計。軟件可以對光纜進行無限的區(qū)域劃分，并可以對不同的區(qū)域設置不同的報警規(guī)則，如定溫報警、快速升溫報警等。

（7）安裝維護簡單、方便。

三、在營口港輸煤系統(tǒng)中皮帶機的應用

1.輸煤系統(tǒng)皮帶監(jiān)測

能夠了解輸煤皮帶系統(tǒng)的安全情況，及時應對危險，不發(fā)生火災或爆炸事故，降低自燃或事故而造成的損失。

輸煤系統(tǒng)皮帶監(jiān)測內(nèi)容：監(jiān)測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化；對比分析不同位置探測光纜安裝的溫度變化特性；分析、判斷報警溫度的設置，通過監(jiān)測皮帶機電機減速機、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設備運行狀態(tài)，進行安全監(jiān)測，利于及早發(fā)現(xiàn)安全隱患,合理安排檢修工作，避免皮帶打滑磨損造成火災事故發(fā)生。

2.實施方案

（1）系統(tǒng)組成（圖3）。

圖3

營口港二公司煤炭碼頭采用1臺10km的DTS主機對10條計2150m皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承溫度進行實時在線監(jiān)測；敷設了1#變電所和4#變電所測溫系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ镁W(wǎng)絡。DTS主機將實時采集的溫度數(shù)據(jù)傳送至中央控制室，值機員可通過監(jiān)控終端實時查看皮帶機電機減速機端、滾筒及托輥軸承運行溫度情況，依據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷皮帶機相關(guān)設備的工作狀態(tài)，為皮帶機安全監(jiān)測提供科學的管理手段。

①由1#變電所出來的四通道分別是：第一路（圖3中紫色表示）探測光纜對BX1-2、BX1-1皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監(jiān)控。第二路（圖3中藍色表示）探測光纜對BX2-2、BX2-1皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監(jiān)控。第三路（圖3中紅色表示）探測光纜對BX1-3、BX1-4、BX1-5皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監(jiān)控。第四路（圖3中青色表示）探測光纜分別對BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮帶機電機減速機、滾筒及托輥軸承進行溫度實時監(jiān)控。

②通信光纜通過1#變電所到4#變電所沿途皮帶機的電纜橋架敷設，如圖3中黑色虛線所示。

（2）檢測方案。

①皮帶機滾筒溫度檢測。

用夾具將探測光纜固定在皮帶機滾筒軸端蓋上，對皮帶機滾筒進行溫度監(jiān)測，一旦皮帶打滑滾筒表面溫度上升，熱量傳遞到皮帶機滾筒端蓋處，系統(tǒng)即可監(jiān)測到溫升，準確發(fā)出預警信號，避免發(fā)生皮帶機火災事故（圖4）。

圖4

②承載托輥溫度檢測。

將探測光纜用工裝夾具固定于承載托輥軸兩個夾角處，對托輥進行實時溫度監(jiān)測。一旦托輥不轉(zhuǎn)或皮帶出現(xiàn)打滑，托輥表面溫度上升，熱量傳到托滾軸后系統(tǒng)監(jiān)測到溫升，當達到設定報警溫度值時系統(tǒng)告警。皮帶機托輥支架光纜走線及固定示意圖見圖5，皮帶機桁架槽鋼光纜走線及固定示意圖見圖6。

（3）系統(tǒng)功能。

①圖形數(shù)據(jù)實時顯示。

實時連續(xù)顯示線路上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間變化曲線?？梢栽O置系統(tǒng)軟件在控制計算機的屏幕上以曲線方式顯示整條皮帶機系統(tǒng)各點的溫度分布，也可以設置顯示整條皮帶機長度與滾筒的相對位置分布圖，顯示被測點位置和對應測點的實時溫度值，用戶可以設置過熱報警溫度，將接收的數(shù)據(jù)以曲線方式顯示，曲線可隨意放大顯示（圖7）。

②控制數(shù)據(jù)自動存儲。

系統(tǒng)可以自動存儲溫度數(shù)據(jù)，用戶可以選擇查詢顯示特定測溫點的溫度歷史變化情況，也可以選擇查詢顯示在任意歷史時刻保存的溫度分布情況，以便對設備的運行狀況進行監(jiān)視，有利于對設備的維護和檢修。

③數(shù)據(jù)即時報表顯示。

存儲的溫度數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式存儲，并可以用EXCEL表格形式顯示出來，并同時顯示當前圖形。此時可選擇將數(shù)據(jù)或圖形打印。

圖5

圖6

圖7

出現(xiàn)報警信號時自動切換到報警總畫面，并顯示故障區(qū)域最高溫度。

④報警方式多種多樣。

分布式光纖測溫系統(tǒng)應具有連續(xù)測溫功能，能檢測皮帶機沿線溫度變化情況，報警數(shù)據(jù)可在軟件中設置，每個區(qū)域應能設置多種報警類型：最高溫度報警、差溫報警、溫度上升速率報警、局部過熱點報警、光纖破壞報警、裝置異常等報警，不同的區(qū)域能獨立報警。報警方式除主控機屏幕顯示基本要求外，具有報警輸出節(jié)點。

⑤分區(qū)測量貼合實際。

能對測量區(qū)域在長度上進行分區(qū)，對某些區(qū)域進行局部重點監(jiān)測。對不同的應用環(huán)境設定不同的報警溫度和報警級別，更貼合實際應用。

四、結(jié)語

隨著港口吞吐量的上升，研發(fā)集可視化、智能化、無人化于一身的數(shù)字化港口儲運及裝卸設備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。先進的分布式光纖測溫技術(shù)將為港口的生產(chǎn)安全提供更多領(lǐng)域的技術(shù)支持和保障，因此，全面發(fā)展分布式測溫技術(shù)在港口各個領(lǐng)域的應用意義重大。

[1]江毅.高級光纖傳感技術(shù)[M].科學出版社.

[2]方祖捷.光纖傳感基礎(chǔ)[M].科學出版社.

[3]李唐軍.光纖通訊原理[M].北京交通大學出版社.

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1671-0711（2015）06-0045-04

（2015-04-03）