基于無(wú)線傳感技術(shù)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 王 濤

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子技術(shù)的成熟和興起[1]，溫度監(jiān)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中起到了一定的支撐作用，主要是在對(duì)溫度監(jiān)控的地方進(jìn)行控制。對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)形成的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是需要穩(wěn)定和可靠的設(shè)備進(jìn)行支持。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)非線性的時(shí)變數(shù)據(jù)，在采集和集成的過(guò)程中容易受到較大的干擾，控制起來(lái)存在較大難度。現(xiàn)有的系統(tǒng)需要更高的成本來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，使得企業(yè)的資金投入越來(lái)越多。因此，本文提出基于無(wú)線傳感技術(shù)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，用于海洋鉆機(jī)電氣系統(tǒng)日常運(yùn)行中的溫度監(jiān)測(cè)。

無(wú)線傳感技術(shù)可以通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)布置，直接將溫度監(jiān)測(cè)效果傳輸至主站內(nèi)，以捆綁式安裝結(jié)構(gòu)，完成多個(gè)傳感器的串聯(lián)。其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層級(jí)可以通過(guò)溫度傳感器穿入合金帶，直接把溫度傳感器底部的測(cè)溫探頭貼在被測(cè)物體表面，直到選定的位置得以確定后進(jìn)行選項(xiàng)調(diào)整固定。本文在利用無(wú)線傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)下，設(shè)計(jì)一款性能較為良好的溫度接收與傳輸裝置，在設(shè)置好的工作條件下，使其可以具備防水和防銹以及防腐蝕能力，完成設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命提供理論支持[2]。

1 基于無(wú)線傳感技術(shù)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 建立海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)架構(gòu)

在每一個(gè)端口與另一端口處連接時(shí)，需要將卡扣慢慢拉緊，接著從反方向折彎。整個(gè)架構(gòu)需要將傳感器的外層硅膠緊密的連接在被測(cè)物體上，通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)將數(shù)據(jù)從多個(gè)層面?zhèn)鬏斨两邮照尽Ｆ渲袑?duì)于總路線上的主機(jī)結(jié)構(gòu)組為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層放置在第一結(jié)構(gòu)內(nèi)，其次按照數(shù)據(jù)接收層對(duì)接傳感服務(wù)器和數(shù)據(jù)串口，每組溫度傳感器需要在固定編碼下進(jìn)行有序安裝，依次放置在數(shù)據(jù)采集層。

架構(gòu)分層在重新組建的監(jiān)測(cè)架構(gòu)中主要分為三個(gè)層級(jí)，最主要的層級(jí)為傳感器設(shè)備的安裝層級(jí)，即有效溫度數(shù)據(jù)的采集層面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的放置形式其底層分布固定序號(hào)的無(wú)線傳感器，能夠和被測(cè)點(diǎn)直接接觸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度參數(shù)的變化數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上傳感器通過(guò)無(wú)線傳輸方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給溫度采集器[3]，采集器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]，并通過(guò)采集器的屏幕顯示出來(lái)，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，服務(wù)器端通過(guò)后臺(tái)軟件界面可以顯示各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度以及變化趨勢(shì)，報(bào)警信息等，從而完成海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的采集與顯示。

1.2 設(shè)定無(wú)線溫度傳感器參數(shù)范圍

正常運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備工作環(huán)境的空氣相對(duì)濕度分為兩個(gè)等級(jí)，一般日平均相對(duì)濕度在95%以下，月平均相對(duì)濕度在90%以下。在濕度配比符合的情況下，設(shè)置整個(gè)運(yùn)行的環(huán)境溫度在-30℃到70℃范圍之間，年平均溫度保持在25℃左右，最大日溫差不能超過(guò)這一范圍。根據(jù)耐用性和防水防腐性的要求設(shè)定，傳感器的整體采用導(dǎo)磁防銹材料，采用CT感應(yīng)電流自取電方式直接與高壓導(dǎo)線裝配，額外無(wú)需電池供電，保證儲(chǔ)能電容可以持續(xù)儲(chǔ)能。

無(wú)線溫度傳感器參數(shù)選定指標(biāo)：RS486通訊距離0-2000m，RS486通訊速率1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，光線通訊距離0-5000m，光纖通訊波特率2400bps-56000bps，傳輸距離0.4-500m，頻率范圍428MHz-439MHz。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，此次設(shè)計(jì)采用無(wú)源輸出的接口模式，在保證熱敏傳感器的負(fù)載小于300W的條件下，可以和接點(diǎn)體緊密接觸，準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)時(shí)溫度。每組傳感器的表帶長(zhǎng)度為W28×D36×H20×L420，合金帶長(zhǎng)度為W10×D0.3×L420，在感應(yīng)取電在負(fù)荷為5A-5000A范圍內(nèi)進(jìn)行工作，可以通過(guò)不同的傳輸效率獲取溫度數(shù)據(jù)，使得整體的精密度保持在±2℃區(qū)間。

2 基于無(wú)線傳感技術(shù)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 布控中央無(wú)線采集和匯聚數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)

海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源為不同設(shè)備之間的節(jié)點(diǎn)采集，根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布控多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，按照中央采集和分散匯集的節(jié)點(diǎn)裝置進(jìn)行安排，并在顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后的溫度測(cè)量進(jìn)行歷史曲線的查詢。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定協(xié)議規(guī)則組成雙層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用雙層同時(shí)射頻傳輸?shù)募夹g(shù)，在較遠(yuǎn)距離溫度的多維采集中滿足成本需求。一般數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是根據(jù)處理器模塊以及無(wú)線收發(fā)模塊連接組成，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊排列組合分類數(shù)據(jù)，直接在顯示模塊中完成統(tǒng)一調(diào)取。此次采集節(jié)點(diǎn)的處理器模塊型號(hào)為C605lfD20，內(nèi)核與指令集可以完全兼容硬件的傳感器參數(shù)，形成集數(shù)據(jù)采集和集中控制的閉環(huán)。在每組無(wú)線接收模塊內(nèi)另外布控模擬部件，當(dāng)含有信號(hào)的調(diào)理傳感器將非接入信號(hào)傳入后，可以通過(guò)模擬部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)化，完成處理器和傳感器之間的有效通信，實(shí)現(xiàn)海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的信息采集。

在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成溫度信息采集后，通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)裝置將其轉(zhuǎn)換至頻率信號(hào)，利用傳感器的不同光纖對(duì)比接口，按照程序化處理為設(shè)備的對(duì)應(yīng)溫度，為保證每組設(shè)備的連接無(wú)線收發(fā)模塊可以同時(shí)段工作，需要在收發(fā)芯片中設(shè)置不同的采集頻段，此次設(shè)置分為433MHz、868MHz以及915MHz，完成循環(huán)頻率編碼的統(tǒng)一校驗(yàn)。其次針對(duì)中央采集節(jié)點(diǎn)而言，每組設(shè)備的傳感器連接節(jié)點(diǎn)模式，除了主要的控制節(jié)點(diǎn)外還需要對(duì)傳感器進(jìn)行二級(jí)節(jié)點(diǎn)的布控，在采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)超過(guò)多個(gè)的字節(jié)后，直接通過(guò)二級(jí)節(jié)點(diǎn)整合完成多余數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。在配合整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建的工作中，二級(jí)采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控主機(jī)之間能夠形成良好的通信通路，對(duì)于每次傳輸?shù)降闹噶詈蛿?shù)據(jù)能同時(shí)執(zhí)行，并將添加到節(jié)點(diǎn)的地址校驗(yàn)碼進(jìn)行打包及時(shí)分類，在初步處理后保存原始數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)R集節(jié)點(diǎn)完成輸送。

2.2 最小二乘法構(gòu)建溫度辨識(shí)模型

在完成各個(gè)溫度傳感器采集節(jié)點(diǎn)的根據(jù)最小二乘法來(lái)計(jì)算每組溫度數(shù)據(jù)的辨識(shí)參數(shù)[5]，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊技術(shù)在中央進(jìn)行數(shù)據(jù)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)匯集，同時(shí)收集海洋鉆機(jī)電力設(shè)備不同位置和不同序列的溫度數(shù)據(jù)，完成對(duì)多個(gè)時(shí)段的溫度判斷。在此基礎(chǔ)上需要對(duì)海洋鉆機(jī)電力設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行辨識(shí)，分析不同設(shè)備之間的溫度差值，對(duì)比設(shè)備的現(xiàn)行運(yùn)行狀態(tài)作出預(yù)警信息輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組網(wǎng)的有效連接。對(duì)于單個(gè)輸出或者輸入的常態(tài)節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)差分方程變量進(jìn)行細(xì)節(jié)描述，設(shè)定每個(gè)數(shù)據(jù)的進(jìn)階系數(shù)為q，在設(shè)定w多個(gè)辨識(shí)結(jié)果時(shí)，可以根據(jù)輸入的有效數(shù)據(jù)完成位置參數(shù)的選擇，表達(dá)式為：

公式中：每組傳感器實(shí)際測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)輸出結(jié)果用{t（q）}和{e（q）}來(lái)表示；在均數(shù)值等于0時(shí)每組的數(shù)據(jù)不相關(guān)變量序列用來(lái){r（q）}表示。在得到辨識(shí)的溫度測(cè)量模型參數(shù)后，在線性定量矩陣中觀測(cè)每組數(shù)據(jù)的殘差平方和最小取值范圍。最小二乘法是根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)的參數(shù)到向量之間的長(zhǎng)度距離進(jìn)行測(cè)算，加入增加了一個(gè)新的溫度數(shù)據(jù)，則需要在獲取的有效數(shù)據(jù)中依次疊加參數(shù)選項(xiàng)。根據(jù)估計(jì)向量參數(shù)的二次函數(shù)進(jìn)行有效數(shù)值的求解，求導(dǎo)規(guī)律可以通過(guò)最小殘差平方和進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式為：

公式中：估計(jì)參數(shù)向量用av來(lái)表示；在每個(gè)采集到的溫度數(shù)據(jù)殘差平方和用Zv表示，其中vu為向量的二次函數(shù)。當(dāng)每組數(shù)據(jù)中包含多個(gè)位置參數(shù)時(shí)，可以將隨機(jī)序列設(shè)置為0，每次辨識(shí)的最優(yōu)解數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表示該數(shù)據(jù)的選取規(guī)模越大，能夠得到的參數(shù)解就越精準(zhǔn)。根據(jù)最小二乘法來(lái)計(jì)算每組溫度數(shù)據(jù)的辨識(shí)參數(shù)[6]，由此構(gòu)建溫度辨識(shí)模型，通過(guò)溫度傳輸?shù)钠罘磻?yīng)不同設(shè)備之間的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)作出高溫或者高耗能的預(yù)警信號(hào)。需要注意在溫度偏差較大時(shí)，殘差的平方和若不能使最優(yōu)解的序列構(gòu)成0，則表示此時(shí)的模型參數(shù)的選值不能正確反映系統(tǒng)真實(shí)狀況。若出現(xiàn)類似的情況可以通過(guò)加權(quán)法，對(duì)參數(shù)的系數(shù)大小進(jìn)行設(shè)置，使得單位的加權(quán)矩陣和單位矩陣的最優(yōu)解相同即可。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用效果，第一階段為抗干擾性能檢測(cè)，在嚴(yán)酷等級(jí)為IV級(jí)的瞬脈沖群干擾下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完成較為穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)輸出；第二階段為溫度監(jiān)測(cè)效果測(cè)試，即在不同時(shí)間段內(nèi)每組傳感器的溫度顯示數(shù)據(jù)均能夠與實(shí)際溫度保持一致，作出提前預(yù)警。選擇4組發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)海洋鉆機(jī)電力設(shè)備的進(jìn)線柜進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置3個(gè)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中布控有變壓器數(shù)量為2個(gè)，變頻器數(shù)量為6個(gè)，并設(shè)置好頂部的出線斷路。在保證每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均可以正常開啟后，每組傳感器的溫度數(shù)據(jù)傳輸保持一致時(shí)，進(jìn)行海洋鉆機(jī)發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的溫度監(jiān)測(cè)。

3.2 第一階段測(cè)試

在正常生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，必須具有抗干擾性能才有實(shí)際應(yīng)用意義，為更好的分析本次監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性能，設(shè)置實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)干擾值初始為0，以此增加干擾系數(shù)進(jìn)行干擾輸出。選擇PID監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)警系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)，與本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感技術(shù)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的30min內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的干擾調(diào)節(jié)測(cè)試，具體調(diào)節(jié)時(shí)間曲線如下圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)時(shí)間曲線對(duì)比結(jié)果

如圖1所示，在每組傳感器正常運(yùn)行得到數(shù)據(jù)后加入干擾信號(hào)，三組系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和承受干擾上限不一致。兩組傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)的干擾值上限0.25，且調(diào)節(jié)過(guò)重會(huì)出現(xiàn)一定震蕩，總體調(diào)節(jié)時(shí)間超過(guò)400s。本文系統(tǒng)的干擾上限值沒(méi)有受到影響，在最大干擾值設(shè)定在0.5時(shí)，能夠在110s的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)節(jié)，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸出，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

3.3 第二階段測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)，能夠在溫度達(dá)到極值前作出預(yù)警信號(hào)，選取三個(gè)運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)為15min、30min和45min，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的溫度極值分別為24℃、40℃和56℃，對(duì)每組發(fā)電機(jī)的溫度進(jìn)行多輪監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果（℃）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，本文系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果均在上限值之前，兩組傳統(tǒng)系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)值均在極值之后，會(huì)造成發(fā)電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行，造成故障的產(chǎn)生。綜合結(jié)果來(lái)看，本文系統(tǒng)在多個(gè)時(shí)間段監(jiān)測(cè)中，均能在溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)提前作出預(yù)警，預(yù)防故障的進(jìn)一步產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在無(wú)線傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)下，組成多個(gè)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)，完成溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文中設(shè)計(jì)的海洋鉆機(jī)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在超過(guò)限值時(shí)直接以報(bào)警形式告知負(fù)責(zé)人，在出現(xiàn)異常情況之前進(jìn)行早期預(yù)警，防止故障的進(jìn)一步惡化。

但由于研究的時(shí)間有限，整體設(shè)計(jì)上只考慮了溫度信號(hào)，在實(shí)際的硬件電路中并未進(jìn)行低耗能的設(shè)計(jì)，后期研究中仍有許多改善的空間。未來(lái)可以在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，研究硬件的電路組成原理，降低硬件電路的功率消耗，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測(cè)控制緊密結(jié)合。