基于單片機(jī)的高壓開(kāi)關(guān)柜溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)渭南供電公司 郭文勇 楊亞妮 雷文鵬 付 峰 許小渭

1.前言

高壓開(kāi)關(guān)柜在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，是電廠、變配電站中的核心設(shè)備之一。在運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜里面分、合部件的機(jī)械松動(dòng)、連接觸點(diǎn)的磨損、觸頭的表面氧化和設(shè)備老化等原因，導(dǎo)致連接部件或接觸部件的接觸電阻增大，長(zhǎng)期在高電壓、大電流和滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行，熱量集結(jié)加劇，極易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度升高，如不及時(shí)處理將出現(xiàn)局部熔焊、產(chǎn)生火花或電弧放電，最終造成電氣設(shè)備的損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重的供電事故；此外，高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空間較為緊湊，柜內(nèi)潮濕、結(jié)露等現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生爬電、閃絡(luò)等事故；一旦發(fā)生供電事故，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。所以，溫度、濕度監(jiān)控在高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行過(guò)程中非常的重要，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的溫濕度控制，可以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，保證高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)采用自動(dòng)模式運(yùn)行，通過(guò)傳感器采集高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫濕度，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜溫濕度超限或有結(jié)露趨勢(shì)時(shí)，一方面發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知工作人員，一方面控制相應(yīng)的通風(fēng)、加熱設(shè)備，控制開(kāi)關(guān)柜溫濕度的在正常的范圍之內(nèi)，保障開(kāi)關(guān)柜安全運(yùn)行，同時(shí)為了方便工作人員觀測(cè)了解，本控制系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，核心是微控制器，包括傳感器組、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、電源電路以及相應(yīng)的加熱、通風(fēng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 微控制器

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的環(huán)境較為復(fù)雜，溫度、濕度、強(qiáng)電磁等，所以微控制器采用美國(guó)微芯公司生產(chǎn)一種產(chǎn)品PIC16F877單片機(jī)，集成AD轉(zhuǎn)換器、USART及SPI接口模塊，具有8K的程序存諸空間、512字節(jié)的數(shù)據(jù)存諸空間，此外該單片機(jī)采用Haryard雙總線結(jié)構(gòu)，能使程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)并行處理，具有較高的運(yùn)行速度，較為簡(jiǎn)化的外圍電路，低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以適應(yīng)高壓開(kāi)關(guān)柜復(fù)雜的環(huán)境。

3.2 傳感器模塊

傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT15溫濕度傳感器，其將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，構(gòu)成了一個(gè)單一的整體，提高測(cè)量精度并且可以精確得出露點(diǎn)值，具有極高的可靠性與長(zhǎng)期的穩(wěn)定性；內(nèi)部包含有A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字傳輸?shù)娇刂破?，?shù)據(jù)傳輸采用用串行通信方式，使系統(tǒng)集成更簡(jiǎn)易快捷，同時(shí)還有精度高、反應(yīng)迅速、功耗低等特點(diǎn)。實(shí)際使用過(guò)程中為提高測(cè)量的精度在DATA引腳接上10k的上拉電阻，在電源引腳(VCC,GND)之間增加一個(gè)100nF的電容用以去耦濾波，單個(gè)傳感器與微控制器的接口電路如圖3所示。

3.3 顯示器模塊

本控制系統(tǒng)需要顯示多點(diǎn)的被測(cè)量，因而采用微功耗12864液晶模，可以更加直觀的觀測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各點(diǎn)溫濕度，該模塊的數(shù)據(jù)端直接與單片機(jī)連接，E為使能端，控制讀/寫時(shí)序，R/W判斷讀寫操作，RS控制顯示和指令，使用時(shí)直接與單片機(jī)的I/O口連接，電路如圖4所示。

圖4 液晶顯示器接口電路

圖5 輸出控制電路

3.4 輸出控制模塊

大多數(shù)開(kāi)關(guān)柜采用封閉式結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期運(yùn)行下熱量不宜擴(kuò)散，造成開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定上限時(shí)，極易發(fā)生供電事故；此外，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部相對(duì)濕度較大時(shí)容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，極易引起爬電、閃絡(luò)事故，危害供電安全。所以，當(dāng)溫度高時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，當(dāng)有結(jié)露產(chǎn)生的趨勢(shì)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱器，降低相對(duì)濕度或水蒸氣量，以改善設(shè)備內(nèi)部環(huán)境，提高運(yùn)行安全性。排風(fēng)扇及加熱器輸出控制電路如圖5所示。電路采用光電耦合的方式提高控制系統(tǒng)抗干擾能力，單片機(jī)I/O口輸出低電平，光電耦合器S導(dǎo)通，繼電器K吸合，通過(guò)控制繼電器的通斷來(lái)控制相應(yīng)設(shè)備的工作。

3.5 報(bào)警模塊

控制系統(tǒng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)內(nèi)部溫度過(guò)高、濕度超限時(shí)，控制系統(tǒng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管控制蜂鳴器發(fā)生及點(diǎn)亮報(bào)警燈，發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知工作人員，同時(shí)輸出信號(hào)控制風(fēng)機(jī)或加熱器工作，調(diào)節(jié)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境。

圖6 主程序流程圖

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主程序控制模塊，初始化程序以及功能控制主程序，由主程序調(diào)用各子程序以實(shí)現(xiàn)各模塊功能。系統(tǒng)上電完成復(fù)位后，利用傳感器檢測(cè)各個(gè)點(diǎn)的溫度和濕度信息，通過(guò)液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，然后將溫濕度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若溫度、濕度超限即報(bào)警和輸出控制信號(hào)，若開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度、濕度沒(méi)有超出設(shè)定值，則計(jì)算露點(diǎn)值，再次判斷是否有結(jié)露趨勢(shì)，最終得出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境，保障開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行，具體流程圖如圖4所示。

5.測(cè)試結(jié)果與分析

軟硬件聯(lián)合調(diào)試完畢后，將調(diào)試成功的溫濕度控制系統(tǒng)(包括通風(fēng)機(jī)和加熱器)安裝在某閑置高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。為了能夠更直觀的觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制過(guò)程，通過(guò)2臺(tái)加熱器、2臺(tái)加濕器人工模擬開(kāi)關(guān)柜溫濕度變化，溫度上限設(shè)置為70oC，下限為25oC，濕度上限90RH%；然后把控制系統(tǒng)的溫濕度測(cè)量數(shù)據(jù)與專業(yè)溫濕度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析控制系統(tǒng)的整體性能。測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 控制系統(tǒng)溫度測(cè)試(環(huán)境濕度48RH%)

表2 控制系統(tǒng)濕度測(cè)試(環(huán)境溫度20oC)

經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和專業(yè)測(cè)量工具測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較小，溫度最小誤差為0，最大誤差0.4oC，濕度數(shù)據(jù)最小誤差為0，最大為2RH%；同時(shí)在數(shù)據(jù)超限時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作、報(bào)警電路正常工作，說(shuō)明本控制系統(tǒng)溫度傳感器性能良好，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。

6.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境對(duì)溫濕度的要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)具有溫濕度實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、超限報(bào)警、輸出控制等功能的控制系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度，能夠很好的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，當(dāng)超限時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，同時(shí)具有測(cè)量精度高、控制性能好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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