一種港口碼頭在線測溫系統(tǒng)方案

李海波 韓喜俊

1 中交機(jī)電工程局有限公司 2 北京凱盛建材工程有限公司

1 引言

近些年，糧食碼頭、油碼頭等危險(xiǎn)品碼頭的新建或搬遷業(yè)務(wù)越來越多，而此類碼頭對(duì)防塵防爆要求尤為嚴(yán)格，因此對(duì)設(shè)備現(xiàn)代化、專業(yè)化的集中管理要求越來越高，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性等特性有了更高的需求，皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)對(duì)溫度檢測預(yù)警的要求亦是如此。

傳統(tǒng)的碼頭測溫系統(tǒng)測量范圍主要以電纜、電機(jī)軸承及繞組、減速機(jī)為主。電纜測溫往往采用熱電偶、測溫光纖等測溫材料，測量信號(hào)傳送至采集裝置，由采集裝置上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場區(qū)的高壓電纜溫度監(jiān)控預(yù)警；電機(jī)軸承及繞組、減速機(jī)測溫一般在生產(chǎn)過程中已將測溫元器件安裝在設(shè)備內(nèi)部，外部預(yù)留接線接口，通常由碼頭控制系統(tǒng)采集該部分信號(hào)并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)中控的監(jiān)控報(bào)警。由此可見，電纜測溫與電機(jī)、減速機(jī)的測溫監(jiān)控預(yù)警不在同一系統(tǒng)中，且測量對(duì)象單一、覆蓋范圍小，使中控管理人員無法高效、統(tǒng)一地管理，更無法滿足危險(xiǎn)品碼頭皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。本文介紹在山東某糧食碼頭進(jìn)倉系統(tǒng)項(xiàng)目使用的一種在線測溫系統(tǒng)。

2 工程概況

山東一糧食碼頭進(jìn)倉系統(tǒng)項(xiàng)目是將物料從碼頭卸料漏斗經(jīng)氣墊式皮帶機(jī)傳送至轉(zhuǎn)運(yùn)站轉(zhuǎn)運(yùn)，最終抵達(dá)倉儲(chǔ)糧倉，主要設(shè)備包含：10條全氣墊式皮帶機(jī)，雙流程輸送長度超過2 000 m；2條托輥式皮帶機(jī)，雙流程輸送長度超過600 m；14臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、14臺(tái)減速器、沿線所有滾筒及托輥。

3 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)場測量范圍大、測量對(duì)象繁多復(fù)雜、測量設(shè)備分散等特點(diǎn)，提出采用由分布式測溫系統(tǒng)與點(diǎn)式測溫系統(tǒng)構(gòu)成的在線測溫系統(tǒng)。分布式測溫系統(tǒng)主要適用于需要連續(xù)測溫、測溫精度高的氣墊式皮帶機(jī)沿線及托輥式皮帶機(jī)沿線(含所有托輥)，此系統(tǒng)測量范圍廣、測量連續(xù)效果好、抗電磁干擾能力強(qiáng)，不帶電測量能夠有效地實(shí)現(xiàn)防爆防燃。點(diǎn)式測溫系統(tǒng)主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、滾筒等，測量精確，測量分布不受限制，可實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過上述2種測量方式結(jié)合，覆蓋了全場所有要求測量的設(shè)備、元器件及區(qū)間。在線測溫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1 分布式測溫

3.1.1 工作原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)利用先進(jìn)的OTDR技術(shù)進(jìn)行定位，利用拉曼散射效應(yīng)進(jìn)行測溫[1]。

首先分布式測溫儀將固定能量、寬度的激光脈沖注入到專用的測溫光纖中；其次激光脈沖在不斷向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)，向后產(chǎn)生拉曼散射光波，而此拉曼散射光波的強(qiáng)度恰與所在光纖散射點(diǎn)的溫度存在關(guān)系，反射點(diǎn)的溫度越高，反射光的強(qiáng)度就會(huì)越大。利用此特性，系統(tǒng)可以通過測得反射點(diǎn)的散射光波強(qiáng)度進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)測量位置的溫度。

3.1.2 溫度計(jì)算

當(dāng)光在介質(zhì)中通過時(shí)，介質(zhì)分子與入射光量子互相作用而引起頻率變化的散射，此種現(xiàn)象就是拉曼散射。當(dāng)光纖物質(zhì)分子與入射光量子產(chǎn)生碰撞時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。當(dāng)發(fā)生彈性碰撞時(shí)介質(zhì)分子與光量子之間不會(huì)發(fā)生任何能量交換，光量子的頻率也不會(huì)發(fā)生任何變化，產(chǎn)生與入射光頻率V0相同的較強(qiáng)的瑞利散射光。當(dāng)發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，介質(zhì)分子吸收頻率為V0的光量子，發(fā)射出頻率為(V0-Vmol)的光量子，與此同時(shí)介質(zhì)分子從低能態(tài)躍遷為高能態(tài)，表現(xiàn)為頻率為(V0-Vmol)、波長為λs的斯托克斯光；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射出頻率為(V0+Vmol)的光量子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷為低能態(tài)，表現(xiàn)為頻率為(V0+Vmol)、波長為λa的反斯托克斯光。

反斯托克斯光幅度與溫度有著緊密關(guān)系，因此系統(tǒng)可將斯托克斯光通道作為參考通道，斯托克斯光強(qiáng)為Is，將反斯托克斯光通道作為信號(hào)通道，反斯托克斯光強(qiáng)為Ia，兩者的比值R(r)可以消除光纖彎曲、光源信號(hào)波動(dòng)等非溫度因素。計(jì)算公式如下：

R(r)=Ia/Is=(λs/λa)4exp(-hcV0/kT)

(1)

式中，Ia為反斯托克斯光強(qiáng)；Is為斯托克斯光強(qiáng)；h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

由上式可見，在外界條件一定的情況下，R(r)的變化僅與T有關(guān)，可以通過分布式測溫系統(tǒng)調(diào)解出R(r)從而反推出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的T，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集。

圖2 分布式測溫系統(tǒng)構(gòu)成

測溫系統(tǒng)主機(jī)通常由顯示器、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、電信號(hào)放大器、光電探測器、光纖分波器、光纖分路器、脈沖激光光源等構(gòu)成(見圖2)。主機(jī)利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生固定的窄脈寬光脈沖信號(hào)進(jìn)入光纖，產(chǎn)生的散射光波被主機(jī)探測器接收后，經(jīng)過光電信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大、數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等，可將測量點(diǎn)的測量溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)出來。

3.1.3 位置計(jì)算

圖3 位置計(jì)算工作原理

通過光時(shí)域反射(OTDR)原理，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)測量點(diǎn)分布的精準(zhǔn)定位(見圖3)。假設(shè)注入的激光脈沖在傳輸過程中，產(chǎn)生的散射光波返回到發(fā)射端所需要的時(shí)間為t0，所傳輸路程為2L0，光的實(shí)際傳輸速度為V0，光的真空傳輸速度為C0，光纖折射率為n0，由此可以計(jì)算出測量點(diǎn)位置，公式為：

V0=C0/n0

(2)

L0=V0t0/2

(3)

3.1.4 分布式測溫系統(tǒng)構(gòu)成

分布式測溫系統(tǒng)集光纖通訊、光纖傳感、信號(hào)解調(diào)、報(bào)警控制等功能于一體，系統(tǒng)集成化程度高，測量速度快，測量精度高。系統(tǒng)主要由測溫光纖(光纖本身不僅進(jìn)行信號(hào)傳輸，還用于探測溫度，即傳播傳感一體化[2])、分布式測溫儀、固定夾具、安裝附件等構(gòu)成。根據(jù)整個(gè)糧食碼頭的工藝流程及設(shè)備分布，分布式測溫設(shè)計(jì)示意圖見圖4(波浪線為分布式測溫光纖)，分布式測溫范圍覆蓋整個(gè)場區(qū)的氣墊式皮帶機(jī)及托輥式皮帶機(jī)。氣墊式皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中，如果由于設(shè)備的故障、物料的偏載或堵塞等問題導(dǎo)致膠帶跑偏，但仍未觸發(fā)跑偏保護(hù)開關(guān)停機(jī)，將造成膠帶與氣室邊緣摩擦，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)火災(zāi)或者爆炸。為避免這種險(xiǎn)情出現(xiàn)，就必須在膠帶跑偏與氣室摩擦?xí)r立刻作出響應(yīng)，從而由中控系統(tǒng)智能停機(jī)或者人工停機(jī)檢查。根據(jù)上述情況，在10條氣墊式皮帶機(jī)氣室邊緣沿線布置測溫光纖，通過分布式測溫儀的精準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)上位機(jī)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控整條沿線運(yùn)行狀態(tài)，從而保證了物料運(yùn)輸?shù)恼Ｉa(chǎn)。

圖4 分布式測溫系統(tǒng)分布圖

3.2 點(diǎn)式測溫

點(diǎn)式測溫主要針對(duì)分散布置全場的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、滾筒、張緊小車等設(shè)備進(jìn)行精確測量，測量精度高，可實(shí)時(shí)監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)主要由預(yù)裝內(nèi)部的溫度傳感器PT100進(jìn)行測量，并通過通訊電纜將測溫電信號(hào)傳輸至就近的控制采集器內(nèi)，由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸至中控室上位機(jī)處理。滾筒、張緊小車主要由測溫單元對(duì)其兩端軸承進(jìn)行測溫，并將測溫信號(hào)傳輸至就近的控制采集器，再回傳至中控上位機(jī)處理。其布置原理圖見圖5。

圖5 點(diǎn)式測溫布置原理圖

4 結(jié)語

自系統(tǒng)正式投入使用以來，分布式測溫能夠有效地對(duì)氣室、托輥等設(shè)備進(jìn)行連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的檢測，點(diǎn)式測溫作為傳統(tǒng)的、高效的測溫技術(shù)，保障了驅(qū)動(dòng)裝置、減速機(jī)等傳動(dòng)裝置的溫度檢測。2種測溫方式的結(jié)合將全范圍覆蓋整個(gè)糧食碼頭的溫度監(jiān)測，降低了設(shè)備停機(jī)次數(shù)、故障率、損壞率，實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主、安全第一的生產(chǎn)理念，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率，為日后溫度測控的自動(dòng)化發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。