電力線載波通訊在熱網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟 泰，宋越馳

（大慶石化公司水氣廠，黑龍江大慶163714）

電力線載波通訊在熱網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟 泰，宋越馳

（大慶石化公司水氣廠，黑龍江大慶163714）

采用智能溫度傳感器DS18B20、熱電偶及電力線載波應(yīng)用于熱網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)總體方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、選擇了溫度傳感器，及相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)。實際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，信號傳輸距離遠(yuǎn)，能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

熱網(wǎng)；溫度監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器；電力線載波

某石化公司新建的乙烯裝置內(nèi)伴熱線數(shù)量龐大，伴熱線總長超過20 km，連箱總數(shù)超過100個。該乙烯項目開工時管線溫度采用人工方式巡檢，為降低凍線隱患，通常將伴熱溫度設(shè)置較高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，無法直觀了解全廠伴熱線實時情況。針對該問題，文中開發(fā)了一套集成度高、通信可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、采集速度快、自動化程度高、軟件功能齊全的基于電力線載波通訊的伴熱線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，以提高伴熱線技術(shù)水平，消除凍線隱患，保障安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）系統(tǒng)巡檢周期小于15 min；（2）溫度監(jiān)測范圍滿足0～1 000℃的實際要求；（3）傳感器靜態(tài)誤差小于±2%；（4）監(jiān)測站工作溫度在-50～70℃范圍內(nèi)；（5）采用電力線載波通訊技術(shù)完成通信功能［1］。

1.2 總體方案

經(jīng)過對廠區(qū)內(nèi)外溫度監(jiān)測點分析，確定出系統(tǒng)由監(jiān)測主站與若干監(jiān)測子站組成，監(jiān)測主站與監(jiān)測子站之間采用電力線載波方式進(jìn)行通訊，監(jiān)測主站控制總線工作時序，并定義與監(jiān)測子站的通信協(xié)議［2］。

1.3 系統(tǒng)組成

PLC組網(wǎng)測溫系統(tǒng)的硬件由溫度采集、PLC通訊模塊、工業(yè)級供電模塊3部分組成。PLC組網(wǎng)測溫系統(tǒng)由耐低溫工業(yè)級模塊供電，可以減少供電電壓不穩(wěn)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定。溫度傳感器附著在伴熱管線上，對伴熱管線的溫度進(jìn)行監(jiān)測。

根據(jù)需求分析，需將PLC組網(wǎng)測溫系統(tǒng)安裝在伴熱管線上，最佳位置為聯(lián)箱上閥門0.5～2 m之間；子站安裝在伴熱聯(lián)箱附近。

溫度采集模塊把溫度信號通過有線的方式直接經(jīng)過PLC通訊模塊傳送至通訊總線，1個數(shù)字采集模塊最多可接64個可編程傳感器，1個模擬采集模塊可接8個可編程傳感器。將PLC通訊模塊設(shè)置成中繼器，使數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)放大在接力傳送、保證數(shù)據(jù)不衰減和丟失。

2 溫度傳感器

監(jiān)測點的溫度在50～300℃范圍，可選用熱電阻或熱電偶作為傳感器。由于熱電阻在50～300℃范圍內(nèi)線性度接近直線，因此得到廣泛應(yīng)用。但其缺點是價格高、壽命短，不適用于24 h連續(xù)工作。

熱電偶自身能產(chǎn)生電壓，不需要使應(yīng)電源，測量區(qū)間大，最低可測-270℃，最高可達(dá)1 300℃。測量精度為±2℃，可在惡劣的環(huán)境下長時間工作。所以選用熱電偶作為蒸汽伴熱的測溫。熱水伴熱的溫度在50～95℃之間，每個伴熱聯(lián)箱需要監(jiān)測的伴熱線數(shù)量為10～20個。因此，在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，采用環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、使用壽命長的新型數(shù)字溫度傳感器。常用的數(shù)字量溫度傳感器有AD7416、MAX6575L/H、DS18B20等［3］。

以上3種傳感器，DS18B20與微控制器的連接比較簡單，用1根導(dǎo)線即可將32個DS18B20與單片機(jī)連接即可測溫，其各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于同類產(chǎn)品，所以溫度監(jiān)測系統(tǒng)選用該傳感器。

3 載波通訊技術(shù)

3.1 PLC電力載波通信

由于伴熱溫度監(jiān)測點分布地點不同，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，又有來自各裝置和管廊上電纜的電磁干擾，確保上位機(jī)和下位機(jī)的正常通訊是整個溫度監(jiān)測系統(tǒng)的主要問題。

PLC技術(shù)全稱電力載波通信，它是指利用低壓電力電纜作為傳輸數(shù)據(jù)的媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和信息交換。在利用電力線通信發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號發(fā)送器首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制到一個高頻載波上，然后經(jīng)過功率放大器放大后通過耦合電路耦合到電力線上。頻帶峰值電壓不超過10 V，所以載波通信不會對電力線路造成破壞。高頻信號經(jīng)電力線傳輸?shù)浇邮辗?，接收方再通過耦合電路將接收到的高頻信號分離山來，濾去干擾信號后經(jīng)放大器放大，再經(jīng)過解調(diào)電路把信號還原成二進(jìn)制數(shù)字信號的通信過程。載波技術(shù)具有良好的抗干擾能力及良好的經(jīng)濟(jì)性［4］。

3.2 PLC通訊技術(shù)特點

PLC分布式測溫系統(tǒng)適用于物料水伴熱、物料蒸汽伴熱，其技術(shù)特點有5個：

（1）防干擾能力強(qiáng)；（2）利用PLC組網(wǎng)，可消除同頻干擾問題，通訊準(zhǔn)確率可大大提高；（3）測量點和子站及監(jiān)測中心直接聯(lián)系，減少外部環(huán)境影響；（4）系統(tǒng)功率低，穩(wěn)定性、可靠性好；PLC組網(wǎng)采集靈活，對電壓要求低、適應(yīng)性強(qiáng)，施工安裝方便；（5）系統(tǒng)采用分布式分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，可靈活拓?fù)?，即能與自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，也可以自成系統(tǒng)。

4 軟件基本組成

該軟件的組成：巡檢界面、分機(jī)監(jiān)測、監(jiān)視界面、專家報表、報警查詢、本地事件、用戶管理和幫助［5～11］。

4.1 巡檢界面

巡檢界面在系統(tǒng)運(yùn)行后會自動開始運(yùn)行，該界面將從1#分機(jī)到73#分機(jī)進(jìn)行循環(huán)顯示，每個分機(jī)顯示時間為3 s。界面第2行顯示有分機(jī)號、分機(jī)位置和該分機(jī)的測溫點數(shù)，下方數(shù)字為相應(yīng)測溫點的實時溫度，若為“wty”則表示該點未啟用。當(dāng)溫度示值為黑色時，表示溫度正常；當(dāng)溫度數(shù)字及前方點號變?yōu)榧t色時，表示該溫度低于溫度下限，為報警狀態(tài)。點擊界面右上角的“暫?！卑粹o后，界面停止循環(huán)，同時該按鈕顯示為“啟動”；點擊“啟動”按鈕，界面將繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。打開其它窗口時，該界面將在后臺繼續(xù)運(yùn)行。

4.2 分機(jī)監(jiān)測

分機(jī)監(jiān)測窗口主要用來主動查詢各分機(jī)的當(dāng)前實時溫度。窗口上部顯示有分機(jī)號、分機(jī)位置和測溫點數(shù)；下方為當(dāng)前分機(jī)測溫點的序號、管線類型（即伴熱物料）、當(dāng)前溫度和啟停按鈕，其中啟停按鈕控制該測溫點的停用，只有班長級及以上用戶具有操作權(quán)限。當(dāng)溫度示值為黑色時，表示溫度正常；當(dāng)溫度數(shù)字及前方點號變?yōu)榧t色時，表示該溫度低于溫度下限，為報警狀態(tài)。停用測溫點不顯示溫度示值窗口左上角與右上角為翻頁按鈕，復(fù)合箭頭可翻至臨近的5的倍數(shù)分機(jī)頁，單箭頭向前或向后翻一頁?？焖俨樵兇翱谥灰x擇相應(yīng)分機(jī)即可實現(xiàn)快速翻頁。

4.3 監(jiān)視界面

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)報警點時，系統(tǒng)會自動彈出“監(jiān)視界面”窗口。口中有73個分機(jī)相對應(yīng)的報警燈，警燈為綠色時表示相應(yīng)分機(jī)上所有測溫點均處于正常狀態(tài)，當(dāng)分機(jī)上有一點處于報警時，相應(yīng)的報警燈變?yōu)榧t色并閃爍。點擊相應(yīng)的報警燈，可跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)分機(jī)的管網(wǎng)圖，在管網(wǎng)圖中可查看具體哪一點報警，點擊“管網(wǎng)圖”標(biāo)題，可跳轉(zhuǎn)至“分機(jī)監(jiān)測”界面更加清晰地查看相應(yīng)分機(jī)點溫度。

4.4 趨勢曲線

趨勢曲線窗口以曲線形式顯示當(dāng)前或歷史溫度數(shù)據(jù)。在“實時趨勢查詢”面板中，設(shè)置時間間隔后可查看當(dāng)前時間之前的時間間隔長度范圍內(nèi)的溫度曲線；時間間隔為0時，默認(rèn)時間間隔長度為1 h。在“歷史趨勢查詢”面板中，設(shè)置開始時間與時間間隔后，可查詢自開始時間之后相應(yīng)時間間隔長度范圍內(nèi)的溫度曲線，左右拖動坐標(biāo)界面可向前或向后查詢溫度數(shù)據(jù)。

4.5 專家報表

專家報表主要用于對歷史數(shù)據(jù)的查詢，并提供報表打印功能。根據(jù)分機(jī)號進(jìn)入相應(yīng)專家報表界面后，依次選擇分機(jī)號、開始時間、時間長度、時間間隔，點擊“查詢”即可實現(xiàn)查詢功能，再點擊“打印”可對報表進(jìn)行打印。其中，時間長度為報表第1行至最后1行的總時間長度，時間間隔為報表相鄰兩行的時間間隔。時間長度為0時默認(rèn)值為24 h，時間間隔為0時默認(rèn)值為1 h。設(shè)置時注意：時間間隔小于時間長度。

4.6 報警查詢

基本的報警分為實時報警和歷史報警。

（1）實時報警是指當(dāng)前時刻實時數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生的最新的若干條報警，報警信息包括：時間、報警點、當(dāng)前溫度、報警下限、報警類型、報警級別等信息。查看完報警點后，點擊全確認(rèn)或確認(rèn)即可對報警點信息進(jìn)行確認(rèn)，此時，報警音樂停止，報警點數(shù)歸為0。

（2）歷史報警記錄是在數(shù)據(jù)庫中發(fā)生過的報警記錄，報警信息包括：日期、時間、報警點、當(dāng)前溫度、報警下限、報警類型、報警級別、確認(rèn)等信息。

5 實際運(yùn)行效果

該溫度監(jiān)測系統(tǒng)自2015年9月運(yùn)行以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

6 結(jié)論

（1）PLC組網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集速度快、精度高、無誤碼率、所有技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)協(xié)議要求。

（2）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平穩(wěn)，擴(kuò)展性能較為靈活，可以在-50～70℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，經(jīng)過試運(yùn)行能夠滿足長周期運(yùn)行。

（3）根據(jù)化工區(qū)內(nèi)伴熱溫度監(jiān)測點的分布特點，采用基于電力線載波通訊方式，使該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。

［1］薛祖源.淺談石油化工裝置防凍問題［J］.化工設(shè)計，2007，17（2）：15-20.

［2］王茂盛.自控溫電伴熱材料在儀表測量管線上的應(yīng)用［J］.石油化工應(yīng)用，2007，26（5）：64-66.

［3］姚勝興.基于現(xiàn)場總線的智能樓宇溫度測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（5）：58-60.

［4］李金鳳，葛良全，吳建平，等.基于單總線的智能多點測溫系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（11）：97-98.

［5］柴鎖柱，王炳章，趙秋.基于C51的DS18B20驅(qū)動電路設(shè)計［J］.傳感器世界，2007（8）：36-39.

［6］張淑娟，葛威，朱建軍，等.基于GPRS通信技術(shù)的熱網(wǎng)紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（2）：119-121.

［7］王智勝，秦銀山.基于GPRS傳輸?shù)妮旊娋€路紅外測溫系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（13）：53-55.

［8］于洋，肖勝倫，王翠竹.基于無線射頻通信及GPRS技術(shù)的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（3）：61-63.

［9］吳云峰，周龍軍.基于GPRS技術(shù)PLC遠(yuǎn)程通信應(yīng)用于城市熱網(wǎng)監(jiān)控［J］.區(qū)域供熱，2004（4）：17-20.

［10］楊博英，株洲.基于GPRS技術(shù)的PLC監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于城市排水泵站［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（12）：29-31.

［11］李嵐.基于GPRS技術(shù)PLC遠(yuǎn)程通訊在城市熱網(wǎng)中的研究與應(yīng)用［J］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

Application of power line carrier waye communication in monitoring system of heat supply network

Meng Tai，Song Yuechi
（Water&Gas Plant of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Intelligent temperature sensor DS18B20,thermal couple and power line carrier wave were used for the monitoring system of heat supply network temperature.System’s overall plan and topological structure chart was built,temperature sensor and relevant software and hardware system were selected.Actual operation showed that this system has strong antijamming capability and far signal transmission distance and meets the requirement of the monitoring system.

heat supply network;temperature monitoring system;sensor;power line carrier wave

TP277

B

1671-4962（2017）01-0059-03

2016-12-26

孟泰，男，工程師，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事公用工程及熱力管網(wǎng)系統(tǒng)管理工作。