一种实现实时温度监测和故障预警的系统方案

PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯，具有兼容性强，速度快，实时性高的特点，在风力发电过程工业应用中发挥重要作用。齿轮箱是风力发电机组中一个重要的机械部件，齿轮箱内的温度可以反映齿轮箱的工作状态。本文介绍一种采用无线方式采集齿轮箱内部的温度，并将温度记录装置集成到Profinet网络中实现实时温度监测和故障预警的系统方案，确保始终掌握齿轮箱的最新状态，并在发生严重损坏之前采取措施，还可通过数据分析，提出维护建议，延长齿轮箱的使用寿命。

Profinet网络技术概述

PROFINET是一个开放式的工业以太网通讯协定，是由PROFIBUS & PROFINET国际协会所提出。PROFINET应用TCP/IP及信息技术的相关标准，是实时的工业以太网。PROFINET具有兼容性强，速度快，实时性高的特点，其通讯速率高达100Mb/s，一般数据传输的总线循环时间约在数百微秒以内。Profinet在过程工业中的多种应用发挥着重要的作用，包括：风力发电，锅炉控制，石油开采，消防与气体系统等。PROFINET技术为工业自动化领域提供一种全新的通信解决方案，即整个工厂全部使用一个网络连接在一起。

齿轮箱的功能概述

齿轮箱是在风力发电机组中应用很广泛的一个重要的机械部件。其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。齿轮喷油不足、油温过高、轴承损坏、摩擦或者盘根过紧等都会导致齿轮箱内部温度过高，实时采集和监测齿轮箱内的温度，可以帮助及时发现问题，排除故障，避免齿轮箱进一步损坏。齿轮箱内部既有自转又有公转，温度数据无线传输方式无疑是最佳的选择。

MSR无线温度记录仪功能概述

MSR无线温度记录仪，通过868MHz/915MHz频段无线方式与MSR无线温度发射器进行通信，采集发射器探头的温度，并保存起来。MSR无线温度记录仪可以同时跟10个发射器进行通信，精确采集和存储多个点的温度，存储容量高达1百万个测量值，支持长时间的温度记录。MSR无线温度记录仪具有扩展的Modbus RTU接口，支持将MSR无线温度记录仪由网关接入Profinet网络，实现实时在线温度监测。

其中，配套的无线温度发射器的防护等级高达IP67防水防尘防油设计，最高耐温125℃，适合齿轮箱内部非常复杂苛刻的工作环境，其体积小巧（35 x 25 x 55 mm）重量轻（40g），可以固定在难以接近的齿轮箱内的缝隙中。

系统架构

基于Profinet网络的风力发电机组齿轮箱温度采集系统的工作流程：内置在齿轮箱中的无线温度发射器感受温度变化并定期将温度信号发送到MSR无线温度记录仪中，MSR无线温度记录仪通过Modbus RTU接口连接网关设备，外设Profinet主站使用Modbus通信协议，通过访问寄存器地址有线&远程获得MSR无线温度记录仪的温度值，然后在上位机中显示温度数据，根据需要，当温度超过设定值时，还可设定报警。

本系统的架构如下图1所示，包括：

① 齿轮箱内置MSR无线温度发射器：通过温度探头精确感应齿轮箱内关键部位的温度变化，通过868MHz/915MHz无线频段定期将温度数据发射出去。

② MSR无线温度记录仪：安置在齿轮箱外，无线接收、采集和记录发射器的温度数据，通过Modbus RTU接口与通信模块进行通信。

③ Profinet转RS485网关设备：与MSR无线温度记录仪的Modbus RTU接口连接，采用了网关转化协议，将底层的采集的Modbus数据转化成Profinet数据，接入到Profinet网络，作为从站。

④ Profinet主站：控制器，比如PLC，作为主站。

⑤ HMI，SCADA：显示温度或者其他参数数据*。

齿轮箱温度采集系统架构

*可搭配油压压力传感器和超声传感器等扩展为更完善的齿轮箱检测维护系统。

小结

Profinet作为新一代工业以太网技术，具有抗干扰能力强，传输速度快的特点，解决了数据实时传输和传输稳定的问题。基于Profinet网络的风力发电机组齿轮箱温度采集系统将齿轮箱内部重要的温度数据集成到上位机以及可视化，方便及时了解齿轮箱的工作状态，提前发出预警，节省人力成本，避免故障进一步恶化导致的重大损失。通过后期的数据分析，可定向提供维护建议，延长齿轮箱的使用寿命。此外，系统还具有如下优点：

模块化设计：齿轮箱、温度采集和记录装置、网关设备（从站）、主站和上位机软件各自独立，可根据实际的情况替换。

布线简单：系统前端采用无线传输方式布线简单。新一代工业以太网技术Profinet直接通过网线连接设备，简化布线流程，降低布线和人力成本。

自动化程度高，维护成本低：系统自动读取温度数据，根据需要设置故障预判条件，提示报警。内置在齿轮箱内部无线温度发射器采用电池供电，长达10年的电池续航能力，减少维护时间、成本和停机时间。

兼容性强：将齿轮箱的温度数据集成到Profinet网络，增加了系统向上的兼容能力，便于数据管理和分析，利于精准技术维护。

　　审核编辑：汤梓红