基于ARM的SF6在線儀表校驗(yàn)裝置

任世超，汪獻(xiàn)忠，陳富強(qiáng)

(1．鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2．日立信股份有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

SF6以其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的高壓、超高壓斷路器和GIS組合電器變電設(shè)備中[1]。但是由于設(shè)備制造質(zhì)量、安裝工藝、密封元件老化、充氣壓力等原因，SF6電氣設(shè)備中SF6氣體的泄漏是難以避免的。因此在裝有SF6電氣設(shè)備的開關(guān)室、SF6主變室等場(chǎng)所除安裝強(qiáng)力通風(fēng)裝置外，還需要安裝大量SF6在線檢漏儀表，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6氣體的泄漏情況[2]。在線檢漏儀表是全天候工作的，隨著時(shí)間推移，儀表內(nèi)部的傳感器需要重新校準(zhǔn)，以確保儀表的性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，而校驗(yàn)的手段直接關(guān)系到儀表的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，研制了該在線儀表校驗(yàn)設(shè)備，該裝置采用智能控制算法，能夠快速、準(zhǔn)確地校準(zhǔn)多種在線、手持SF6檢漏儀表?？蓮V泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)及使用SF6相關(guān)電器設(shè)備的廠家。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為SF6在線儀表校驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)框圖。該裝置主要有四大模塊組成，分別是校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊、校驗(yàn)箱模塊、測(cè)量模塊和執(zhí)行模塊。

校驗(yàn)儀表時(shí)首先由校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體，然后送入校驗(yàn)箱。通過(guò)測(cè)量模塊上的SF6和O2傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量箱內(nèi)氣體濃度，并反饋給氣體發(fā)生模塊，不斷修正氣體濃度以達(dá)到設(shè)定的濃度值。儀表校驗(yàn)完成后，打開箱內(nèi)的大功率空氣泵，可以在幾分鐘內(nèi)置換完箱內(nèi)氣體，以達(dá)到回收利用、綠色無(wú)污染的目的。

圖1 在線校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

裝置內(nèi)硬件以STM32F103為核心，由傳感器模塊、通信模塊、聲光報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、接線端口模塊等組成。如圖2所示。其中傳感器模塊和校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊與主控采用RS485總線通信。

圖2 在線校驗(yàn)裝置硬件框圖

2．1 微控制器及其外圍模塊

STM32F103是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗高效芯片，工作電壓范圍是2．0～3．6 V．Cortex-M3 內(nèi)核基于ARMv7-M指令集，同時(shí)支持16-bit和32-bit指令，具有豐富的中斷資源[3]。

電源部分采用了三端穩(wěn)壓芯片TPS5430以給系統(tǒng)提供合適的穩(wěn)定電壓。為了存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用SST25VF016B芯片外擴(kuò)了存儲(chǔ)空間。通過(guò)溫度芯片ADT7310，檢測(cè)儀可對(duì)數(shù)據(jù)做溫度補(bǔ)償。

2．2 傳感器模塊

SF6濃度檢測(cè)傳感器采用高性能進(jìn)口紅外SF6氣體傳感器，分辨率為1 ppm，精度達(dá)2% FS。能夠準(zhǔn)確測(cè)量SF6氣體濃度，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，基本不受測(cè)試環(huán)境和溫度等干擾因素影響。氧氣濃度傳感器采用KE-25傳感器，該傳感器響應(yīng)時(shí)間短，精度達(dá)±1% FS，壽命長(zhǎng)，不受CO2，CO，H2S，NOx，H2影響，而且成本低，在常溫下工作信號(hào)輸出穩(wěn)定。

把SF6和O2兩個(gè)傳感器固定在一塊傳感單元電路板上，放置于箱體內(nèi)部，控制板通過(guò)485總線接口與傳感單元電路板通信，從而校準(zhǔn)傳感器。

2．3 通信模塊

通信模 塊 通 過(guò) 串 口 與 上 位 機(jī) 通 訊。使 用 串 口 芯 片MAX3221將 TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，與上位機(jī)之間的通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議。

其中使用ADM2587芯片實(shí)現(xiàn)RS485總線上數(shù)據(jù)隔離傳輸，ADM2587是ADI推出的單電源隔離型485芯片。適合用于工控、電力、儀表、安防等各種485隔離場(chǎng)合。

2．4 校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊

校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊原理為質(zhì)量流量混合法。采用高精度的質(zhì)量流量控制器，控制稀釋氣體及組分氣體的流量。稀釋氣體采用高純氮，組分氣體可為純氣或已知濃度的混合標(biāo)氣。通過(guò)準(zhǔn)確的配置便可配置出設(shè)定濃度值的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊主要包括數(shù)據(jù)采集卡和質(zhì)量流量控制器。其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，V1、V2為質(zhì)量流量控制器。

圖3 校驗(yàn)氣體發(fā)生模塊組成圖

AD芯片采集到的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)AD8572放大器放大，最后傳給主控芯片。主控的信號(hào)通過(guò)DAC7571數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后再控制質(zhì)量流量控制器。

為了精確控制流量，采用瑞士SFC4000型高精度質(zhì)量流量控制器，它能夠在較寬的量程范圍快速而精確地控制氣體流量。SFC4000設(shè)備的精度、重復(fù)性、響應(yīng)速度等性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的質(zhì)量流量控制器。它可以在1 MPa的輸入壓力、0～50 ℃的環(huán)境及氣體溫度下工作，并能抵抗電磁干擾。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，采用模塊化思想，使程序易于移植和維護(hù)。該SF6氣體在線儀表校驗(yàn)裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量并顯示當(dāng)前SF6濃度值，同時(shí)具有超限自我保護(hù)功能，當(dāng)壓強(qiáng)超出設(shè)定值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警[4]。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

開機(jī)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，等待各項(xiàng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。為了快速精確地產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體，該裝置中采用的智能控制算法為自適應(yīng)模糊PID控制方法[5]。自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)是將PI控制策略引入模糊控制器，并將模糊控制與PID控制相結(jié)合，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行在線修改，以達(dá)到理想的控制效果。它主要由模糊控制推理系統(tǒng)和參數(shù)可調(diào)整的PID控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。圖中，r為濃度的給定值；c為濃度的實(shí)測(cè)值；偏差e=|r-c|；ec為偏差的變化率；KP、KI、KD均為需整定的PID參數(shù)。

圖5 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，且穩(wěn)定性好。不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，還縮短了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，具有良好的控制性能。

4 數(shù)據(jù)及分析

數(shù)字PID算法用增量式表示為：

(1)

將式(1)寫成如下的形式：

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

由于氣體濃度響應(yīng)具有遲滯性，采用常規(guī)PID算法會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，性能指標(biāo)有明顯提高。

圖6、圖7所示分別為不采用智能控制算法與采用智能控制算法的校驗(yàn)箱內(nèi)SF6氣體濃度上升速率圖。

圖6 未采用智能控制算法的校驗(yàn)箱內(nèi)SF6氣體濃度上升速率圖

圖7 采用智能控制算法的校驗(yàn)箱內(nèi)SF6氣體濃度上升速率圖

從上圖可以看出，不采用智能控制算法時(shí)，校驗(yàn)箱內(nèi)SF6氣體濃度達(dá)到設(shè)定值需要50 min左右，而采用智能控制算法后僅需7 mim左右，且此過(guò)程所需時(shí)間會(huì)隨著校驗(yàn)箱內(nèi)儀表體積的大小而智能增減。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該裝置可以在10 min之內(nèi)完成一次儀表校驗(yàn)，完全達(dá)到主要性能指標(biāo)要求，且人機(jī)界面好，操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。測(cè)量范圍0～1 000 ppm，分辨率為1 ppm，精度為2% FS，滿足電力系統(tǒng)及使用SF6相關(guān)電器設(shè)備的廠家的需求。

參考文獻(xiàn)：

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