基于物聯網的發電機滑環溫度在線監測系統研究

張指毓，閆 釗

(秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003)

0 引言

發電機勵磁系統中碳刷通過與滑環動靜接觸傳遞勵磁電流,如果主勵磁機滑環出現溫度過高或過低的情況,則極易發生打火故障,若不及時處理,輕則導致發電機失磁、非計劃停機,重則燒損滑環和大軸,造成嚴重后果。因此,發電機主勵磁機滑環溫度監測是一項十分重要的工作。現階段主勵磁機的滑環溫度監測主要依靠人力通過紅外點溫儀測量,工作量大,且不能實現滑環溫度實時監測,不能及時發現滑環溫度異常情況并進行處理。

文獻[1]基于紅外測溫技術設計了一套開關柜溫度在線監測系統,介紹了系統軟、硬件構成,但缺少實際案例的數據分析。文獻[2]介紹了基于物聯網技術的水電廠開關柜溫度測量系統,該系統能夠通過無線信號將數據傳輸至云平臺,在溫度數據采集模塊,采用接觸式溫度傳感器,通過無線射頻將數據傳輸至主機,但溫度數據傳輸時易受到電磁干擾。文獻[3]介紹了基于物聯網技術對高壓電氣設備的連接部位進行全天候監測,但溫度傳感器構成復雜,電量不足時傳感器將停止工作。

通過基于物聯網的滑環溫度在線監測系統實現將滑環實時溫度傳輸至溫度監測云平臺,并開發出相應的溫度數據存儲、溫度異常短信和電話提醒等功能。系統通過4G網絡傳輸數據,無需敷設電纜,安裝簡便,裝置內部電路板抗干擾性強,系統中溫度傳感器采用非接觸式紅外測溫探頭,通過電子線路傳輸數據,運行穩定性高[4]。工作人員可以通過手機和電腦實時查看滑環溫度數據,并對數據進行分析,研究滑環溫度變化趨勢和規律,從而制定巡檢周期和滑環維護方案。

1 系統組成

1.1 系統整體架構

系統由設備支架、2個紅外測溫傳感器、基于STM32F103芯片的GPRS數據采集器、溫度監測云平臺及通信終端組成,如圖1所示。

圖1 發電機主勵磁機滑環溫度在線監測系統

從架構上來看,物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層。對應的系統機構如下：感知層(測溫傳感器)、網絡層(數據采集器、云平臺)、應用層(通信終端,包括手機和PC端)。

系統中2個紅外測溫傳感器固定在距離發電機主勵磁機滑環約40 cm的位置,紅外測溫傳感器將采集的實時溫度數據轉換為4～20 mA的電流量,傳輸到GPRS數據采集器的模擬量輸入接口,GPRS數據采集器對數據進行處理并通過內部4G模塊傳輸到溫度監測云平臺。用戶通過PC和手機端查看滑環的實時溫度,并接收數據采集器溫度異常電話和短信提醒[5]。

1.2 紅外測溫傳感器

系統設置了一款非接觸式紅外測溫傳感器,可以在不接觸目標的情況下通過測量物體發射的波長在 8～14 μm范圍內的紅外輻射能量計算出物體的表面溫度[6]。該溫度傳感器為一體化集成式紅外溫度傳感器,傳感器、光學系統與電子線路共同集成在不銹鋼殼體內,易于安裝,如圖2所示。

圖2 紅外測溫傳感器及光路

測溫傳感器的物距比D∶S,指測量距離D與被測目標直徑S的比值。被測目標的尺寸和紅外測溫儀的光學特性決定了被測目標和測量頭之間的最大距離。物距比小于20∶1時,測溫傳感器的靈敏度最高。當紅外溫度傳感器和被測目標距離增大時,則要求被測目標表面積更大[7]。為了避免測量誤差,被測目標應盡量充滿測量頭的視場,保持被測點始終小于被測目標或至少與被測目標相同尺寸。一期發電機主勵磁機的滑環側面寬度約10 cm,要求紅外測溫傳感器的探頭與滑環側表面距離小于200 cm。系統中2個紅外測溫傳感器均固定在距離主勵磁機滑環約40 cm的位置,滿足精度要求。紅外測溫傳感器參數如表1所示。

表1 紅外測溫傳感器參數

1.3 數據采集器

系統中數據采集器以STM32F103芯片為核心控制器,搭載4G模塊,實現溫度數據的轉換以及控制與云平臺的通信[8],實物如圖3所示。

圖3 數據采集器實物

圖中220 V交流供電接口通過整流后為STM32F103芯片提供直流電源；四路遙信輸入接口支持開關量和3～30 V有源信號；四路4～20 mA模擬量輸入接口采集分辨率為12 bits,要求輸入阻抗≤200 Ω；4G模塊支持移動和聯通手機卡[9]；直流電源輸出端口輸出固定電壓12 V,最大輸出電流1 A,給紅外測溫傳感器提供電源。

數據采集器的配置可通過短信完成,短信發送格式為“鑒權碼+指令”,短信應答格式為“終端地址+指令”,默認鑒權碼為666666,設置指令與查詢指令需分開發送。首先,通過指令設置將數據上傳至云平臺,并將云平臺的IP地址或域名及通信的端口設置到設備的參數存儲區；其次,設置紅外測溫傳感器的量程,將上傳云平臺的數據做歸一化處理；最后,設置告警短信或振鈴電話的目標聯系人以及短信和振鈴告警是否開啟。若已設置接收號碼及開啟短信或振鈴告警,還應設置四路模擬量接口的上下限以及是否開啟上下限告警等功能。

2 應用案例

2.1 案例簡介

系統于2022年8月在哈爾濱電機廠有限責任公司QFSN-200-2型發電機主勵磁機滑環試運行。試運期間系統工作正常,溫度測量準確,裝置能夠在高溫、粉塵等多種工況條件下穩定運行。

2.2 實施效果

工作人員通過手機和PC可隨時查看發電機主勵磁機內、外滑環的實時溫度和歷史溫度數據,并通過歷史溫度數據趨勢圖,掌握滑環運行狀態。

通過云平臺,系統可以建立多個子帳號及權限,實現多人同時通過手機App查看滑環實時溫度數據,同時接收滑環溫度異常報警。

因碳刷與滑環之間接觸電阻、流過碳刷的勵磁電流等均能導致滑環溫度變化,工作人員可以將這些因素與滑環溫度趨勢圖相結合,分析溫度異常原因,提前干預,確保滑環在規定的溫度區間內運行,避免出現滑環打火情況。

3 結論

通過對基于物聯網的滑環溫度在線監測系統的研究和應用,實現了實時在線監測滑環溫度、溫度數據存儲和溫度異常報警等功能。滑環溫度在線監測系統,可有效減輕設備管理人員的工作量,通過實時監測,工作人員可及時采取檢修和排查措施,防止設備故障惡化,可以避免滑環因溫度異常而發生事故,進而提升設備的智能化水平。