基于物联网的发电机滑环温度在线监测系统研究

张指毓，闫 钊

(秦皇岛发电有限责任公司，河北 秦皇岛 066003)

0 引言

发电机励磁系统中碳刷通过与滑环动静接触传递励磁电流,如果主励磁机滑环出现温度过高或过低的情况,则极易发生打火故障,若不及时处理,轻则导致发电机失磁、非计划停机,重则烧损滑环和大轴,造成严重后果。因此,发电机主励磁机滑环温度监测是一项十分重要的工作。现阶段主励磁机的滑环温度监测主要依靠人力通过红外点温仪测量,工作量大,且不能实现滑环温度实时监测,不能及时发现滑环温度异常情况并进行处理。

文献[1]基于红外测温技术设计了一套开关柜温度在线监测系统,介绍了系统软、硬件构成,但缺少实际案例的数据分析。文献[2]介绍了基于物联网技术的水电厂开关柜温度测量系统,该系统能够通过无线信号将数据传输至云平台,在温度数据采集模块,采用接触式温度传感器,通过无线射频将数据传输至主机,但温度数据传输时易受到电磁干扰。文献[3]介绍了基于物联网技术对高压电气设备的连接部位进行全天候监测,但温度传感器构成复杂,电量不足时传感器将停止工作。

通过基于物联网的滑环温度在线监测系统实现将滑环实时温度传输至温度监测云平台,并开发出相应的温度数据存储、温度异常短信和电话提醒等功能。系统通过4G网络传输数据,无需敷设电缆,安装简便,装置内部电路板抗干扰性强,系统中温度传感器采用非接触式红外测温探头,通过电子线路传输数据,运行稳定性高[4]。工作人员可以通过手机和电脑实时查看滑环温度数据,并对数据进行分析,研究滑环温度变化趋势和规律,从而制定巡检周期和滑环维护方案。

1 系统组成

1.1 系统整体架构

系统由设备支架、2个红外测温传感器、基于STM32F103芯片的GPRS数据采集器、温度监测云平台及通信终端组成,如图1所示。

图1 发电机主励磁机滑环温度在线监测系统

从架构上来看,物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。对应的系统机构如下：感知层(测温传感器)、网络层(数据采集器、云平台)、应用层(通信终端,包括手机和PC端)。

系统中2个红外测温传感器固定在距离发电机主励磁机滑环约40 cm的位置,红外测温传感器将采集的实时温度数据转换为4～20 mA的电流量,传输到GPRS数据采集器的模拟量输入接口,GPRS数据采集器对数据进行处理并通过内部4G模块传输到温度监测云平台。用户通过PC和手机端查看滑环的实时温度,并接收数据采集器温度异常电话和短信提醒[5]。

1.2 红外测温传感器

系统设置了一款非接触式红外测温传感器,可以在不接触目标的情况下通过测量物体发射的波长在 8～14 μm范围内的红外辐射能量计算出物体的表面温度[6]。该温度传感器为一体化集成式红外温度传感器,传感器、光学系统与电子线路共同集成在不锈钢壳体内,易于安装,如图2所示。

图2 红外测温传感器及光路

测温传感器的物距比D∶S,指测量距离D与被测目标直径S的比值。被测目标的尺寸和红外测温仪的光学特性决定了被测目标和测量头之间的最大距离。物距比小于20∶1时,测温传感器的灵敏度最高。当红外温度传感器和被测目标距离增大时,则要求被测目标表面积更大[7]。为了避免测量误差,被测目标应尽量充满测量头的视场,保持被测点始终小于被测目标或至少与被测目标相同尺寸。一期发电机主励磁机的滑环侧面宽度约10 cm,要求红外测温传感器的探头与滑环侧表面距离小于200 cm。系统中2个红外测温传感器均固定在距离主励磁机滑环约40 cm的位置,满足精度要求。红外测温传感器参数如表1所示。

表1 红外测温传感器参数

1.3 数据采集器

系统中数据采集器以STM32F103芯片为核心控制器,搭载4G模块,实现温度数据的转换以及控制与云平台的通信[8],实物如图3所示。

图3 数据采集器实物

图中220 V交流供电接口通过整流后为STM32F103芯片提供直流电源；四路遥信输入接口支持开关量和3～30 V有源信号；四路4～20 mA模拟量输入接口采集分辨率为12 bits,要求输入阻抗≤200 Ω；4G模块支持移动和联通手机卡[9]；直流电源输出端口输出固定电压12 V,最大输出电流1 A,给红外测温传感器提供电源。

数据采集器的配置可通过短信完成,短信发送格式为“鉴权码+指令”,短信应答格式为“终端地址+指令”,默认鉴权码为666666,设置指令与查询指令需分开发送。首先,通过指令设置将数据上传至云平台,并将云平台的IP地址或域名及通信的端口设置到设备的参数存储区；其次,设置红外测温传感器的量程,将上传云平台的数据做归一化处理；最后,设置告警短信或振铃电话的目标联系人以及短信和振铃告警是否开启。若已设置接收号码及开启短信或振铃告警,还应设置四路模拟量接口的上下限以及是否开启上下限告警等功能。

2 应用案例

2.1 案例简介

系统于2022年8月在哈尔滨电机厂有限责任公司QFSN-200-2型发电机主励磁机滑环试运行。试运期间系统工作正常,温度测量准确,装置能够在高温、粉尘等多种工况条件下稳定运行。

2.2 实施效果

工作人员通过手机和PC可随时查看发电机主励磁机内、外滑环的实时温度和历史温度数据,并通过历史温度数据趋势图,掌握滑环运行状态。

通过云平台,系统可以建立多个子帐号及权限,实现多人同时通过手机App查看滑环实时温度数据,同时接收滑环温度异常报警。

因碳刷与滑环之间接触电阻、流过碳刷的励磁电流等均能导致滑环温度变化,工作人员可以将这些因素与滑环温度趋势图相结合,分析温度异常原因,提前干预,确保滑环在规定的温度区间内运行,避免出现滑环打火情况。

3 结论

通过对基于物联网的滑环温度在线监测系统的研究和应用,实现了实时在线监测滑环温度、温度数据存储和温度异常报警等功能。滑环温度在线监测系统,可有效减轻设备管理人员的工作量,通过实时监测,工作人员可及时采取检修和排查措施,防止设备故障恶化,可以避免滑环因温度异常而发生事故,进而提升设备的智能化水平。