分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

于廣年　王崇志

（1.營(yíng)口港務(wù)集團(tuán)第二分公司；2.營(yíng)口港務(wù)集團(tuán)第三分公司，遼寧　營(yíng)口　115007）

分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

于廣年1王崇志2

（1.營(yíng)口港務(wù)集團(tuán)第二分公司；2.營(yíng)口港務(wù)集團(tuán)第三分公司，遼寧營(yíng)口115007）

介紹了分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)原理及在營(yíng)口港二公司煤炭碼頭皮帶機(jī)的應(yīng)用。通過(guò)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，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(cè)溫預(yù)警系統(tǒng) ； 皮帶機(jī)； 電機(jī)；托輥；應(yīng)用

皮帶機(jī)作為煤炭碼頭裝卸主要設(shè)備，因其工作量大及工作環(huán)境惡劣，依靠人工進(jìn)行巡檢很難發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患。因此，對(duì)皮帶機(jī)電機(jī)、滾筒和托輥的安全監(jiān)測(cè)是非常必要的。

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

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

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

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1．分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)原理

光纖測(cè)溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼(Raman)散射效應(yīng)。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(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個(gè)比光源波長(zhǎng)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(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量（圖1）。

圖1

2.分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)組成

分布式光纖測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)由測(cè)溫主機(jī)和探測(cè)光纜兩部分組成。

（1）主機(jī)。

①整條光纖既傳輸信號(hào)又感應(yīng)被測(cè)量。

②在長(zhǎng)距離內(nèi)能得到高精度的溫度數(shù)據(jù)。

③測(cè)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(qiáng)。開(kāi)放式通信結(jié)構(gòu)，可與第三方網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)、OPC、SCADA等）可靠方便的連接，具有靈活的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)輸入、輸出功能。

⑤內(nèi)置PC。專門(mén)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件通過(guò)易于理解的直觀圖表向操作人員提供數(shù)據(jù)。

⑥警報(bào)設(shè)置齊全。智能警報(bào)類型和配置可以根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目量身定制，向操作人員發(fā)出當(dāng)前或者潛在過(guò)熱部位及其它不良事件的警告。

主機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

（2）探測(cè)光纜。

BY-SCJKBH1探測(cè)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(hù)，外護(hù)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(shí)光纜具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性、機(jī)械性能、防水性能及抗腐蝕特性，可以在惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期使用。光纖類型及參數(shù)見(jiàn)表2。可根據(jù)用戶要求定制探測(cè)光纜（圖2）。

圖2

二、技術(shù)特點(diǎn)

（1）連續(xù)分布式的進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，沒(méi)有盲區(qū)，沒(méi)有漏測(cè)點(diǎn)。

（2）根據(jù)溫度變化，及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)警。在還沒(méi)有發(fā)生燃燒的情況下，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出溫度異常位置。

（3）光纜不怕粉塵，又可防雷。現(xiàn)場(chǎng)采用特殊光纜既是傳輸信號(hào)的載體又可以測(cè)量環(huán)境溫度。

（4）固定保護(hù)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(yīng)性能好。

（6）系統(tǒng)軟件操作簡(jiǎn)單，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。軟件可以對(duì)光纜進(jìn)行無(wú)限的區(qū)域劃分，并可以對(duì)不同的區(qū)域設(shè)置不同的報(bào)警規(guī)則，如定溫報(bào)警、快速升溫報(bào)警等。

（7）安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。

三、在營(yíng)口港輸煤系統(tǒng)中皮帶機(jī)的應(yīng)用

1.輸煤系統(tǒng)皮帶監(jiān)測(cè)

能夠了解輸煤皮帶系統(tǒng)的安全情況，及時(shí)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)，不發(fā)生火災(zāi)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(cè)內(nèi)容：監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒和托輥的溫度變化；對(duì)比分析不同位置探測(cè)光纜安裝的溫度變化特性；分析、判斷報(bào)警溫度的設(shè)置，通過(guò)監(jiān)測(cè)皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒和托輥的溫度變化，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，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(zāi)事故發(fā)生。

2.實(shí)施方案

（1）系統(tǒng)組成（圖3）。

圖3

營(yíng)口港二公司煤炭碼頭采用1臺(tái)10km的DTS主機(jī)對(duì)10條計(jì)2150m皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒及托輥軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；敷設(shè)了1#變電所和4#變電所測(cè)溫系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)。DTS主機(jī)將實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)傳送至中央控制室，值機(jī)員可通過(guò)監(jiān)控終端實(shí)時(shí)查看皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)端、滾筒及托輥軸承運(yùn)行溫度情況，依據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷皮帶機(jī)相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)，為皮帶機(jī)安全監(jiān)測(cè)提供科學(xué)的管理手段。

①由1#變電所出來(lái)的四通道分別是：第一路（圖3中紫色表示）探測(cè)光纜對(duì)BX1-2、BX1-1皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒及托輥軸承進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。第二路（圖3中藍(lán)色表示）探測(cè)光纜對(duì)BX2-2、BX2-1皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒及托輥軸承進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。第三路（圖3中紅色表示）探測(cè)光纜對(duì)BX1-3、BX1-4、BX1-5皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒及托輥軸承進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。第四路（圖3中青色表示）探測(cè)光纜分別對(duì)BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮帶機(jī)電機(jī)減速機(jī)、滾筒及托輥軸承進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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

（2）檢測(cè)方案。

①皮帶機(jī)滾筒溫度檢測(cè)。

用夾具將探測(cè)光纜固定在皮帶機(jī)滾筒軸端蓋上，對(duì)皮帶機(jī)滾筒進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，一旦皮帶打滑滾筒表面溫度上升，熱量傳遞到皮帶機(jī)滾筒端蓋處，系統(tǒng)即可監(jiān)測(cè)到溫升，準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信號(hào)，避免發(fā)生皮帶機(jī)火災(zāi)事故（圖4）。

圖4

②承載托輥溫度檢測(cè)。

將探測(cè)光纜用工裝夾具固定于承載托輥軸兩個(gè)夾角處，對(duì)托輥進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。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(cè)到溫升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定報(bào)警溫度值時(shí)系統(tǒng)告警。皮帶機(jī)托輥支架光纜走線及固定示意圖見(jiàn)圖5，皮帶機(jī)桁架槽鋼光纜走線及固定示意圖見(jiàn)圖6。

（3）系統(tǒng)功能。

①圖形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

實(shí)時(shí)連續(xù)顯示線路上的溫度分布曲線、各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。可以設(shè)置系統(tǒng)軟件在控制計(jì)算機(jī)的屏幕上以曲線方式顯示整條皮帶機(jī)系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度分布，也可以設(shè)置顯示整條皮帶機(jī)長(zhǎng)度與滾筒的相對(duì)位置分布圖，顯示被測(cè)點(diǎn)位置和對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度值，用戶可以設(shè)置過(guò)熱報(bào)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(dòng)存儲(chǔ)。

系統(tǒng)可以自動(dòng)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，用戶可以選擇查詢顯示特定測(cè)溫點(diǎn)的溫度歷史變化情況，也可以選擇查詢顯示在任意歷史時(shí)刻保存的溫度分布情況，以便對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，有利于對(duì)設(shè)備的維護(hù)和檢修。

③數(shù)據(jù)即時(shí)報(bào)表顯示。

存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)，并可以用EXCEL表格形式顯示出來(lái)，并同時(shí)顯示當(dāng)前圖形。此時(shí)可選擇將數(shù)據(jù)或圖形打印。

圖5

圖6

圖7

出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)自動(dòng)切換到報(bào)警總畫(huà)面，并顯示故障區(qū)域最高溫度。

④報(bào)警方式多種多樣。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)具有連續(xù)測(cè)溫功能，能檢測(cè)皮帶機(jī)沿線溫度變化情況，報(bào)警數(shù)據(jù)可在軟件中設(shè)置，每個(gè)區(qū)域應(yīng)能設(shè)置多種報(bào)警類型：最高溫度報(bào)警、差溫報(bào)警、溫度上升速率報(bào)警、局部過(guò)熱點(diǎn)報(bào)警、光纖破壞報(bào)警、裝置異常等報(bào)警，不同的區(qū)域能獨(dú)立報(bào)警。報(bào)警方式除主控機(jī)屏幕顯示基本要求外，具有報(bào)警輸出節(jié)點(diǎn)。

⑤分區(qū)測(cè)量貼合實(shí)際。

能對(duì)測(cè)量區(qū)域在長(zhǎng)度上進(jìn)行分區(qū)，對(duì)某些區(qū)域進(jìn)行局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境設(shè)定不同的報(bào)警溫度和報(bào)警級(jí)別，更貼合實(shí)際應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著港口吞吐量的上升，研發(fā)集可視化、智能化、無(wú)人化于一身的數(shù)字化港口儲(chǔ)運(yùn)及裝卸設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。先進(jìn)的分布式光纖測(cè)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(cè)溫技術(shù)在港口各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大。

[1]江毅.高級(jí)光纖傳感技術(shù)[M].科學(xué)出版社.

[2]方祖捷.光纖傳感基礎(chǔ)[M].科學(xué)出版社.

[3]李唐軍.光纖通訊原理[M].北京交通大學(xué)出版社.

TH222

B

1671-0711（2015）06-0045-04

（2015-04-03）