面向再制造的盾構溫度傳感器檢測平臺設計

王春曉，韓偉鋒，宋 欣，吳玉青

（1.中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，河南 洛陽 471000；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.天津農學院工程技術學院，天津 300392）

目前，全球隧道施工技術飛速發展，盾構作為一種用于地下空間開發的大型工程機械，服役設備的數量在逐年增加。據不完全統計，截至2020 年，僅我國中鐵系統就保有盾構500 多臺，硬巖掘進機數十臺[1]。僅以我國為例，目前在建隧道工程中，所使用的皆為全新的盾構，當隧道貫通后盾構的實際服役時間還不到其使用壽命的一半，如果沒有后續適用的工程，將會導致大量設備的閑置，以至于后期會發展到自然老化和技術落后，帶來很大的經濟損失。數據表明2 臺硬巖盾構經過5 年時間的存放就要8 000 多萬的資金才能修復，而通過再制造技術可以拓寬這些設備的使用范圍，使其再度服役[2-3]。此外，隨著服役設備逐步進入“老齡化”階段，將會有一大批報廢的盾構產生，而針對此類設備進行修復和再制造同樣可以帶來可觀的經濟效益，為施工企業節約大量成本[4-5]。

對盾構進行再制造的過程中，充分利用原有設備的電器元件和線路是降低再制造成本的關鍵要素。因此，在再制造前期和制造過程中就必須對設備進行全面的狀態評估和元器件檢測。若想達到這一目的所面臨的困難主要有以下3 點：①盾構裝備體積龐大導致控制線路過長；②設備內部結構復雜，空間位置布局狹小；③再利用元器件存在不確定、不穩定等因素，上述問題會給現場故障排查帶來很大的困難，從而導致再制造設備作業可靠性不足，再制造周期增加等情況出現。因此，設計一種面向再制造的盾構傳感器檢測平臺，在再制造前或者再制造過程中隨時進行性能檢測就顯得尤為重要。

溫度傳感器是盾構中最常見和最重要的傳感器之一，被用于盾構液壓油、齒輪油、內循環水、主減速機以及電機等運行溫度的監控。為此，本文提出一種面向再制造的盾構溫度傳感器檢測平臺設計方案，采用基于置信距離的數據一致性檢驗方法，實現了對溫度傳感器的快速、便捷檢測。

1 面向再制造的盾構溫度傳感器檢測平臺

1.1 檢測原理

首先，將待測溫度傳感器和標準溫度傳感器放置在1 個加熱腔中，當加熱腔注入水后，可由PLC 對其進行溫度控制，實現在測試區間范圍內溫度的線性變化。其次，通過PLC 實時采集標準溫度傳感器和待測溫度傳感器的輸出值；接著，采用基于置信距離的數據一致性檢驗方法計算待測溫度傳感器與標準傳感器輸出值間的置信距離，并將該值與預先設定的一致性檢測閾值進行對比，低于或等于閾值為合格，高于閾值為不合格，從而檢測出待測傳感器的性能指標是否符合再制造的要求。檢測流程如圖1 所示。

圖1 檢測流程圖

1.2 基于置信距離的數據一致性檢測方法

判斷待測傳感器測量值的準確性是檢測傳感器是否正常有效的重要依據。傳統的方法是以比較待測傳感器和標準傳感器測量值的差值是否在預期范圍內作為檢測依據，未考慮不同型號傳感器間會存在測量誤差的差異。而且，對于標準傳感器出現損壞的狀況無法做出及時的判斷，可能造成對待測傳感器誤判的情況發生。因此，本文提出一種基于置信距離的數據一致性檢測方法，考慮了不同型號傳感器的性能差異，同時也能夠及時發現標準傳感器出現工作異常的狀況。

置信距離D表征的是2個采集數據間的偏離，其計算公式[6]為

其中，P（）是概率函數；Z為隨機變量，服從標準正態分布N(0，1)；Ti，Tj分別為標準傳感器和待測傳感器的測量值；σi，σj分別為標準和待測傳感器的標準差。由式(1)可知，Dij具備統計學意義，其值越小，意味著Ti與Tj的一致性越高，反之則越低。

數據一致性檢測方法是：首先根據檢測精度要求，設定一個一致性檢測閾值εij；其次，根據式(1)計算Dij；最后，將得到的一系列Dij與εij進行比較，全部測量數據低于εij的判斷為合格，存在高于εij的情況則判定為不合格。同理，如果標準傳感器與理想溫度間的置信距離超出閾值，則判定該傳感器異常。如圖2 所示，圖中水平線為檢測閾值εij，黑線（不帶圓點標記）為標準傳感器與理想溫度間的置信距離，黑線（帶圓點標記）為待測傳感器與標準傳感器間的置信距離。

1.3 檢測平臺總體設計方案

檢測平臺主要由檢測單元和控制單元組成，其中檢測單元包括加熱系統和水循環系統，如圖3所示。加熱系統由加熱腔、排氣閥、液位開關和加熱器組成。加熱腔內部的加熱管與加熱腔的軸線呈水平安裝，其長度與加熱腔內部長度基本一致，以確保加熱腔內各個位置溫度的均衡性。待加熱管通電后與裝置中的水充分接觸，使得加熱器中同一高度橫向水位的水均勻快速達到同一指定溫度，并使各個位置的水溫保持一致。將多個溫度傳感器的安裝孔按照同角度、同高度均布在加熱腔上，以確保溫度傳感器探頭進入的角度和深度一致，從而有利于獲得精準的檢測數據；水循環系統由水箱、潛水泵、電磁閥、液位開關及各類軟管組成。其中，2 個液位開關分別用于保障水箱和加熱腔中的水量達到指定高度；當開始檢測時，啟動水泵并打開進水閥，由水箱向加熱腔中注水；當檢測結束后，打開加熱腔排水閥，將加熱腔中的水排出到水箱中，同時將水箱中的水注入到加熱腔中，使加熱腔快速降溫，準備下一輪檢測。

圖3 溫度傳感器檢測單元結構示意圖

控制單元以PLC為核心控制器，用于接收上位機指令，控制檢測平臺執行元件的動作，實現檢測平臺的手動調試和各種試驗的自動運行，以及實現數據采集和試驗數據的處理，是整個控制系統的核心部分。上位機為工業觸摸屏控制加管理機的模式，工業觸摸屏為用戶提供人機界面，試驗人員可通過人機界面完成對檢測平臺的操作，包括手動調試和各類試驗的自動運行；管理機可對試驗過程進行監控，對試驗數據進行導出、分析等操作。

1.4 控制單元硬件系統

硬件系統主要包括PLC、工業觸摸屏、工業以太網交換機、伺服控制元件、傳感器和其他執行元件等。其中，PLC 選用西門子S7-1500 系列（圖4），CPU為1516-3 PN，其外部存儲卡是256MB，具備較大的程序容量和數據存儲器，工作存儲器可存儲6MB 數據；CPU 反應速度快，位指令執行時間10ns；工藝功能具備運動控制、閉環控制、計數與測量等，可以很好地滿足檢測平臺的控制需求。HMI 選用SIMATIC HMI TP1900，可使用TIA Portal V16 的WinCC Comfort 進行項目組態和運行VB 腳本實現復雜計算，并搭配西門子PLC 在同一軟件平臺進行編程使用，提升了控制系統的整體性能。

圖4 西門子S7-1500系列PLC

1.5 控制單元軟件系統

軟件系統的整體架構如圖5 所示，檢測系統由3 個模塊組成，分別是檢測控制模塊、數據采集模塊和傳感器評價模塊。其中，檢測控制模塊包括水閥、水泵以及加熱棒的溫度控制，實現檢測平臺的加水和加熱功能。圖6為安裝步驟界面，可引導用戶對傳感器進行正確的接線和固定安裝。圖7為參數設置界面，包括待測傳感器的量程設置，避免出現過載損壞器件；溫度傳感器檢測閾值和系統溫度設定，為待測傳感器的檢測結果提供評價依據。

圖5 軟件系統架構

圖6 溫度傳感器安裝界面

圖7 溫度傳感器參數設定界面

數據采集模塊負責采集標準溫度傳感器與待測溫度傳感器的模擬量數據，將采集后的數據交由CPU 進行標準化與線性化，經過轉換得到標準數值發送給人機交互，人機交互界面通過標準PROFINET 接口連接到交換機上，實現PLC 與HMI 之間的通訊，并讀取轉換得到的數值，顯示在檢測界面上，如圖8 所示。該界面以可視化方式引導用戶進行溫度傳感器的檢測操作。通過實時顯示標準溫度傳感器和待測溫度傳感器數值信息的變化，實現對檢測全過程的監測。

圖8 溫度傳感器檢測操作界面

傳感器評價模塊用于對數據采集模塊得到的數據進行分析處理，按照操作人員輸入的閾值來判斷當前傳感器是否能正常，并自動輸出帶有當前傳感器診斷信息的檢測報告，供操作人員打印。

2 檢測平臺功能測試

待測對象選用WIKA 公司T19.10.1P0-1 型溫度傳感器，其測量范圍是0～100℃，輸入電壓為10～30VDC，輸出電流為4～20mA，主要用于齒輪油的溫度檢測，是盾構中使用最多的溫度傳感器型號之一。

首先，根據工業觸摸屏上的安裝提示，將傳感器安裝在檢測平臺上。用對絲將傳感器固定擰緊，避免因漏氣而影響測試結果的準確性。

其次，按照要求將線纜通過航空插頭連接至檢測平臺的面板上。

再次，進行參數設定，設置溫度最大值為80℃，數據一致性檢測閾值為0.50。

最后，進入到檢測界面進行檢測操作，開始檢測后可以在界面內觀察其運行情況或進入曲線記錄界面查看數據曲線。測試結束后的溫度曲線如圖9～圖11 所示。

圖9 溫度傳感器的曲線報表

圖10 數據一致性檢測結果

圖11 溫度傳感器的檢測報告

通過測試可知，該檢測平臺在使用過程中運行穩定，能夠通過簡單操作實現對盾構溫度傳感器性能的準確和快速檢測。

3 結論

1）設計出了一種快速的、可模擬實際工況的盾構電氣系統各元器件的性能優劣檢測試驗臺及其檢測方法。

2）檢測平臺采用了基于置信距離的數據一致性檢驗方法來檢測溫度傳感器的精度，該方法能夠在工業控制設備上實現，具有參考意義。

3）通過檢測平臺實現了智能判斷溫度傳感器的優劣，解決了現有檢測方法效率低下，無法實現盾構在停機狀態下對電氣系統再制造全拆全檢過程超前預判問題，具有實用性強，多個溫度傳感器同時檢測，大大提高工作效率等優點。

通過試驗驗證，該檢測平臺運行穩定可靠，能夠滿足對盾構溫度傳感器實現準確、快速和便捷檢測的使用需求。此外，該設計方案還可以擴展到盾構裝備中常用的土壓傳感器、超聲波液位傳感器、注漿壓力傳感器等多種不同類型傳感器性能檢測中，能夠有效避免因元器件損壞而延誤工程進度的情況發生，為確保再制造設備的作業可靠性提供了參考依據，同時也進一步體現了盾構綠色制造的價值理念。