無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(yùn)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(cè)溫度是否超標(biāo)。人工巡檢工作量大、周期長(zhǎng)，間隔時(shí)間至少為2 h。在人工巡檢間隔時(shí)間內(nèi)，無(wú)法及時(shí)獲知開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出線節(jié)點(diǎn)電流異常和溫度過(guò)熱，從而存在火災(zāi)隱患。

目前輪胎企業(yè)主流的測(cè)溫方案為傳統(tǒng)的有線測(cè)溫和無(wú)線智能測(cè)溫。有線測(cè)溫是輪胎企業(yè)傳統(tǒng)的測(cè)溫方案，周期長(zhǎng)、施工復(fù)雜、效率低、不易管理，發(fā)生故障時(shí)需耗費(fèi)大量人力和物力分析、排查與重新鋪設(shè)線纜。無(wú)線智能測(cè)溫能夠規(guī)避有線測(cè)溫的缺點(diǎn)，無(wú)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(hù)。

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

1 測(cè)溫方案對(duì)比

輪胎企業(yè)常用的幾種測(cè)溫方案見(jiàn)表1。從表1可以看出，無(wú)源無(wú)線是最佳的測(cè)溫方案。該方案可以24 h不間斷檢測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度，溫度過(guò)高時(shí)可以及時(shí)預(yù)警，提醒設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行預(yù)防，從而避免發(fā)生火災(zāi)；實(shí)時(shí)監(jiān)控的預(yù)警機(jī)制既可以降低人工成本，又可以避免事故。無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)必將成為輪胎企業(yè)未來(lái)主流的測(cè)溫方案，其設(shè)計(jì)必須遵循嚴(yán)格的規(guī)則。

表1 輪胎企業(yè)常用的幾種測(cè)溫方案

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制原理，遵循如下原則。

（1）協(xié)議兼容：開(kāi)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(tái)配置兼容不同溫度傳感器的系統(tǒng)。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，對(duì)異?，F(xiàn)象及時(shí)報(bào)警。

（3）操作簡(jiǎn)單：Web功能平臺(tái)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(pán)和鼠標(biāo)操作。

（4）易于擴(kuò)充：保證系統(tǒng)的開(kāi)放性與可擴(kuò)充性，方便業(yè)務(wù)的擴(kuò)展和系統(tǒng)擴(kuò)容，適應(yīng)輪胎企業(yè)未來(lái)發(fā)展需要。

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

（6）分布式：各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算自己的位置[6]，網(wǎng)絡(luò)拓展時(shí)靈活，節(jié)點(diǎn)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(kù)，數(shù)據(jù)加密以保證安全。采用嚴(yán)格的權(quán)限管理，杜絕未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。

2.2 設(shè)計(jì)架構(gòu)

無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95，采用模塊化和平臺(tái)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)架構(gòu)分為傳感層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和展示層（見(jiàn)圖1）。

圖1 無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

（1）傳感層：部署無(wú)源傳感器，分布到變電站各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并部署感知節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取傳感器信號(hào)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

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

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

（4）展示層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示，顯示查詢、預(yù)警、報(bào)警、故障記錄和統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，滿足變電站管理與統(tǒng)計(jì)需求。完善的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)有效傳輸，減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，降低硬件成本，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮傳輸和存儲(chǔ)。

2.3 壓縮算法

基于安全需要，本系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)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(chǔ)空間，本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)門(mén)的壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)[7]。該算法結(jié)合異常標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。基本原理如下：分析當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)與前一個(gè)被保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成的壓縮偏移覆蓋區(qū)來(lái)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(diǎn)，則不保留該數(shù)據(jù)點(diǎn)；如果有數(shù)據(jù)點(diǎn)落在壓縮偏移覆蓋區(qū)之外，則保留當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)，并以最新保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為新的起點(diǎn)。當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)如果超出報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，則保留該數(shù)據(jù)點(diǎn)，但不作為壓縮存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)。

為了通過(guò)采集的數(shù)據(jù)快速判斷、報(bào)警、顯示和分析，本系統(tǒng)采用內(nèi)存式數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，同時(shí)采用線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。壓縮原則是超出標(biāo)準(zhǔn)的異常數(shù)據(jù)全部保存，對(duì)正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(shí)際情況設(shè)定不同的壓縮精度，從而形成較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)機(jī)制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器中可以實(shí)現(xiàn)永久存儲(chǔ)，本系統(tǒng)可以隨時(shí)提取分析數(shù)據(jù)。

2.4 功能模塊

無(wú)源無(wú)線智能測(cè)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(jiàn)圖2。參數(shù)設(shè)置模塊可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)警與報(bào)表分析；系統(tǒng)管理模塊對(duì)權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免無(wú)權(quán)限用戶操作本系統(tǒng)。

圖2 智能測(cè)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?hào)等端口參數(shù)。②系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置采集頻率、數(shù)據(jù)庫(kù)IP地址、端口號(hào)、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(diǎn)信息，形成設(shè)備節(jié)點(diǎn)臺(tái)賬，并根據(jù)管理情況進(jìn)行分組管理。②協(xié)議設(shè)置：根據(jù)采集點(diǎn)參數(shù)配置實(shí)際采用的通訊協(xié)議，并且進(jìn)行通訊配置。③數(shù)據(jù)采集：實(shí)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(chǔ)。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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)分析。①曲線分析：將采集的數(shù)據(jù)形成趨勢(shì)分析曲線，標(biāo)注異常點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)的監(jiān)控分析。②數(shù)據(jù)報(bào)表分析：根據(jù)時(shí)間等查詢條件對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，按客戶需求進(jìn)行不同維護(hù)的報(bào)表分析，為企業(yè)管理提供數(shù)據(jù)支持；實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)各項(xiàng)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)分析等管理需求。③報(bào)警分析：對(duì)于異常數(shù)據(jù)及時(shí)形成報(bào)表，以郵件和短信等形式進(jìn)行發(fā)送。④預(yù)警管理：對(duì)大型設(shè)備和關(guān)鍵部件溫度進(jìn)行監(jiān)控，異常預(yù)警報(bào)警，保證設(shè)備使用安全，對(duì)于報(bào)警等及時(shí)發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人，實(shí)現(xiàn)無(wú)人巡檢管理模式。

3 應(yīng)用分析

無(wú)源無(wú)線智能測(cè)溫系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)距離、無(wú)源無(wú)線、分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和變電站等溫度檢測(cè)，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(xiǎn)場(chǎng)所以及無(wú)法靠近的高壓線和電纜等。本系統(tǒng)部分應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)圖3—5。

圖3 輪胎生產(chǎn)測(cè)溫

圖4 高壓電測(cè)溫

圖5 高壓鍋爐測(cè)溫

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高校及科研院所的專業(yè)技術(shù)，我公司研發(fā)無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)有線測(cè)溫系統(tǒng)的工作方式與管理模式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，異常預(yù)警報(bào)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。