波紋補(bǔ)償器無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

董小方

（秦皇島北方管業(yè)有限公司，河北 秦皇島066004）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，是信息技術(shù)發(fā)展程度的階段性標(biāo)志產(chǎn)物，是事物之間通過互聯(lián)網(wǎng)建立聯(lián)系并展開合作的技術(shù)。它包括兩個(gè)方面的意義：第一,物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的，它是基于Internet網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而出現(xiàn)的；第二,其應(yīng)用范圍已經(jīng)超越互聯(lián)網(wǎng)而發(fā)展到了需要信息的溝通和交流的現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面。與快速的社會(huì)進(jìn)步以及高速進(jìn)步的科學(xué)技術(shù)結(jié)伴而行，物聯(lián)網(wǎng)愈發(fā)深入的被應(yīng)用到了我國各個(gè)領(lǐng)域，這也為該技術(shù)在我國飛速發(fā)展提供了更廣闊的平臺(tái)。目前，工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備故障診斷及維修的傳統(tǒng)技術(shù)越發(fā)顯得能力不足,而借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就可以將故障診斷與維修技術(shù)帶入到以網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷為基礎(chǔ)的新高度。

波紋補(bǔ)償器的傳統(tǒng)缺陷是其檢測(cè)需要經(jīng)驗(yàn)豐富的維護(hù)人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行頻繁檢查。一些波紋補(bǔ)償器安裝在高空或被土壤覆蓋,維修人員很難知道何時(shí)發(fā)生故障。波紋補(bǔ)償器無法安全運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)就能夠?qū)⑸鲜鰡栴}快速解決掉。

對(duì)工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有效解決員工的時(shí)間和位置限制,并將監(jiān)控系統(tǒng)合理的配置在各個(gè)位置的終端節(jié)點(diǎn),通過嵌入式數(shù)據(jù)收集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸,對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后進(jìn)行對(duì)比，超過正常值時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將異常信息進(jìn)行反饋的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，維護(hù)人員可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，迅速確定工作方案并實(shí)施。這樣不僅能夠大幅度提升工作效率、縮小故障范圍、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠大幅度提升設(shè)備的使用壽命。本研究使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過各種傳感器采集波紋補(bǔ)償器的技術(shù)參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控波紋補(bǔ)償器的工作狀態(tài)。

1 波紋補(bǔ)償器的工作原理及其在我國的發(fā)展

波紋補(bǔ)償器是一種補(bǔ)償元件,在行業(yè)中也稱為膨脹縫或軟連接。它安裝在管道中,以吸收溫度和壓力變化引起的位移,確保管道能夠安全運(yùn)行。

不銹鋼波紋管是波紋補(bǔ)償器的核心彈性元件，它依靠不銹鋼部分的膨脹和彎曲在軸向、橫向以及各個(gè)角度方向上補(bǔ)償管道的變化。它的作用不僅包括對(duì)管道因受到熱量、地理環(huán)境以及內(nèi)部介質(zhì)等因素的影響而在軸向、徑向以及角向產(chǎn)生的形變進(jìn)行補(bǔ)償，而且能平衡設(shè)備振動(dòng)對(duì)管道的影響以及地震、地面運(yùn)動(dòng)等引起的管道變形等。

2 波紋補(bǔ)償器無線監(jiān)控系統(tǒng)的配置和工作原理

2.1 波紋補(bǔ)償器監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置和功能

用于移動(dòng)終端的波紋補(bǔ)償器無線監(jiān)控裝置主要包括壓力傳感器、位移傳感器,溫度傳感器、信號(hào)處理裝置、電源裝置和信號(hào)接收裝置以及輔助部件。每個(gè)硬件組件的主要組成及功能如下:

2.1.1傳感器部分 主要由高性能壓力傳感器、溫度傳感器以及位移傳感器組成,其作用是收集波紋補(bǔ)償器的參數(shù)并將其帶到信號(hào)處理設(shè)備中。

2.1.2 信號(hào)處理單元 由Zigbee信號(hào)模塊、濾波板、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)等組成。通過這些傳感器單元，我們就能采集到各種信號(hào)，在將這些物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，將其傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

2.1.3 電源 它為傳感器部分、信號(hào)處理設(shè)備和信號(hào)接收設(shè)備部分供電。

2.1.4 信號(hào)接收裝置 是接收信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)接口模塊進(jìn)行處理,并通過SQL數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的部件。

2.1.5 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器 主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與數(shù)據(jù)采集終端之間的數(shù)據(jù)處理和交互工作。

2.1.6 移動(dòng)終端 從信號(hào)接收設(shè)備接收數(shù)據(jù),將其與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析,在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出警報(bào),并通過Internet將其發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)。

2.2 軟件配置和功能

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的特定功能,不僅需要上述硬件的支持,還需要相關(guān)軟件進(jìn)行處理和分析,以準(zhǔn)確檢測(cè)波紋補(bǔ)償器的狀態(tài)并在出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。它主要包括以下特定功能:

2.2.1 數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ) 將各種傳感器采集到的溫度、壓力以及位移等信號(hào)在軟件模塊中進(jìn)行收集并存儲(chǔ)。

2.2.2 HMI（人機(jī)界面）將采集到的壓力、位移和溫度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如此，就能夠展現(xiàn)波紋補(bǔ)償器的狀態(tài)。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析 對(duì)最近收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,以確定波紋補(bǔ)償器的狀態(tài)。

2.2.4 報(bào)警處理 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后,如果波紋補(bǔ)償器工作狀態(tài)超出正常范圍，軟件將及時(shí)報(bào)警，顯示并存儲(chǔ)異常數(shù)據(jù)，通知相關(guān)人員及時(shí)查看并處理異常。

3 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

3.1 系統(tǒng)安裝

在波紋補(bǔ)償器的表面上固定溫度傳感器，在波紋管的兩端安裝固定支架。第一個(gè)位移傳感器要平行于波紋管安裝。不過，一旦波紋管的補(bǔ)償位移過大而超過可受承范圍,則很容易發(fā)生故障。在實(shí)際工作過程中,由于振動(dòng)產(chǎn)生的壓力不均勻,會(huì)導(dǎo)致波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償失效，因此,第二個(gè)位移傳感器在與第一位移傳感器相差90°的方向上,以相同的方式安裝,從而確保了位移數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

因?yàn)椴y補(bǔ)償器需要承受其兩端管路及本身形變帶來的高應(yīng)，所以加裝壓力傳感器以實(shí)時(shí)對(duì)波紋補(bǔ)償器的壓力狀況進(jìn)行監(jiān)控是非常有必要的。于是，需要在波紋補(bǔ)償器上打孔并加入壓力傳感器后再對(duì)孔位周邊進(jìn)行密封。在紋波補(bǔ)償器的交點(diǎn)處焊接一個(gè)支架,以放置信號(hào)處理盒和電源模塊,將傳感器連接到信號(hào)處理盒,然后將電源模塊連接到傳感器和信號(hào)處理盒,以達(dá)到電源供應(yīng)的目的。

3.2 信號(hào)采集與處理

傳感器信號(hào)的采集：首先將溫度傳感器、壓力傳感器以及位移傳感器直接連接到指定位置上。各種傳感器的另一端與ZigBee模塊相連。再通過USB電纜連接電源為模塊供電。打開計(jì)算機(jī)上與ZigBee模塊相匹配的信號(hào)采集軟件，以接收信號(hào)程序并將其傳輸?shù)?個(gè)ZigBee模塊,設(shè)置參數(shù)并啟動(dòng)通信。此時(shí)，記錄溫度、壓力以及位移的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后,對(duì)波紋管上進(jìn)行升溫。再將震源直接插放入波紋管內(nèi)部加強(qiáng)振動(dòng)。并且可以將波紋管倒置放置在試驗(yàn)臺(tái)上以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和存儲(chǔ)。重復(fù)上述步驟,將溫度、位移和壓力傳感器放置在波紋補(bǔ)償器上的不同位置,并測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)集。

我們將波紋補(bǔ)償器的溫度最高值設(shè)定在105℃。此時(shí)，保持壓力不變,僅改變波紋補(bǔ)償器的溫度。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)試溫度達(dá)到103°C時(shí),系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，溫度再次降至101℃時(shí)發(fā)出故障恢復(fù)解除報(bào)警信息。然后，將補(bǔ)償器的位移最大值設(shè)定為160 mm,此時(shí)保持溫度和壓力不變，在此條件下進(jìn)展開位移測(cè)試。當(dāng)位移達(dá)到155 mm時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，在位移降低至150 mm時(shí)發(fā)出報(bào)警解除信息。同樣,將補(bǔ)償器的壓力最大值設(shè)定為3.8 MPa。保持溫度和位移不變,僅改變波紋補(bǔ)償器的壓力。經(jīng)過壓力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力達(dá)到3.6 MPa時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，壓力降低至3.5 MPa以后發(fā)出報(bào)警解除信息。

3.3 溫度、位移以及壓力信號(hào)的精確性解析

經(jīng)過大量測(cè)試后,系統(tǒng)測(cè)得的溫度是正確的,但測(cè)得的位移和壓力數(shù)據(jù)與實(shí)際位移值之間存在一定誤差。

分析得出,位移值誤差的根本原因是波紋補(bǔ)償器在變形過程中會(huì)彎曲而不會(huì)均勻變形,并且誤差的幅度與彎曲程度成正比。因此,有必要安裝2個(gè)位移傳感器在波紋補(bǔ)償器上，用來減小彎曲引起的誤差。

同時(shí),壓力誤差是由于波紋管補(bǔ)償器的密封性差引起的。為減小壓力誤差，需要安裝密封圈或通過電焊將其密封的方式實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVlEW的波紋補(bǔ)償器的無線監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控波紋補(bǔ)償器。通過試驗(yàn),可以成功地發(fā)送和接收收集到的信號(hào)。它還可以直接觀察監(jiān)控位移、壓力和溫度數(shù)據(jù)的變化,如果信號(hào)突然發(fā)生異常變化,軟件會(huì)立即觸發(fā)警報(bào)并將信息發(fā)送給相關(guān)人員。綜上所述,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)波紋補(bǔ)償器的工作狀態(tài),具有一定的實(shí)用價(jià)值。