礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉明琦

（北京機(jī)床研究所有限公司，北京100102）

隨著我國(guó)電力快速發(fā)展和持續(xù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大電網(wǎng)不斷延伸、電壓等級(jí)不斷提高、大容量高參數(shù)發(fā)電機(jī)組不斷增多，新能源發(fā)電大規(guī)模集中并網(wǎng)，電力設(shè)備種類和數(shù)量不斷增加，電力系統(tǒng)形態(tài)及運(yùn)行特性日趨復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)支撐能力、轉(zhuǎn)移能力、調(diào)節(jié)能力提出了更高要求[1]。低壓配電柜作為企業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、大型酒店等用戶電力網(wǎng)絡(luò)的重要設(shè)備，主要用于并入和切除下級(jí)用電設(shè)備，具有故障保護(hù)功能，在配電網(wǎng)絡(luò)中起到控制和保護(hù)雙重作用。

從20 世紀(jì)80 年代我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)低壓配電柜，到90 年代逐步形成成套的設(shè)施，通過(guò)將國(guó)外先進(jìn)設(shè)備引進(jìn)中國(guó)，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了很大突破。從引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備來(lái)看，這些設(shè)備在設(shè)備故障防護(hù)水平、柜體設(shè)計(jì)、加工工藝程度以及智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備中都具有先進(jìn)的水平。同時(shí)也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)各大企業(yè)致力于集中監(jiān)控，更加積極的進(jìn)行智能化低壓成套設(shè)施與智能化開(kāi)關(guān)。長(zhǎng)期運(yùn)行部件老化、封閉運(yùn)行熱量集中、封閉結(jié)構(gòu)不利于熱量散發(fā)等導(dǎo)致低壓配電柜溫升過(guò)高，長(zhǎng)時(shí)間得不到有效處理直接威脅低壓配電柜產(chǎn)品性能，甚至引起停電或火災(zāi)等事故[2]。礦用低壓配電柜是礦山主要的配電設(shè)備，其性能好壞直接關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)工作能否順利開(kāi)展。因此開(kāi)展關(guān)于礦用低壓配電柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)于提升煤礦低壓配電系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性、保證礦用電氣設(shè)備安全具有十分重要的意義。

無(wú)線通信(Wireless communication)是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。無(wú)線通訊技術(shù)常用的有Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、射頻技術(shù)等，免布線、安裝方便時(shí)無(wú)線通訊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。射頻通信常用的頻段為315、433、868、915 MHz 等，其中433 MHz 在我國(guó)為免費(fèi)且不需要許可認(rèn)證的專用收發(fā)頻段，射頻通信技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、功耗低、通訊距離遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、狀態(tài)監(jiān)控、智能家居、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[3-5]。

1 礦用低壓配電柜溫度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于433 MHz 無(wú)線通訊技術(shù)的礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用433 MHz 網(wǎng)絡(luò)作為溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑢?shí)現(xiàn)對(duì)礦用低壓配電柜的溫度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸、顯示和故障保護(hù)功能[6-7]。礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由溫度傳感器組、433 MHz網(wǎng)絡(luò)、電源模塊、PLC、復(fù)位單元、報(bào)警單元、通訊單元、監(jiān)控主機(jī)等組成，其中PLC 采集433 MHz 網(wǎng)絡(luò)反饋的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和比較，在溫度異常情況下進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通過(guò)通訊單元將溫度數(shù)據(jù)和礦用低壓配電柜運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。433 MHz 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫度傳感器組的溫度數(shù)據(jù)和PLC 之間的無(wú)線通訊[8]。溫度傳感器組用于采集礦用低壓配電柜溫度參數(shù)。礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 PLC

S7-200 屬于SIMATIC 系列PLC 中微型產(chǎn)品，為無(wú)風(fēng)扇、模塊化結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，編程語(yǔ)言為梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊3 種模式，指令功能強(qiáng)大，易于掌握、操作方便。S7-200PLC本機(jī)集成了輸入輸出端口和24V 負(fù)載電源，可以選擇不同的電源電壓和控制電壓，內(nèi)部集成了電源、高級(jí)電容和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。S7-200PLC 指令功能強(qiáng)大，有布爾、傳送、比較、移位、產(chǎn)生補(bǔ)碼、調(diào)用子程序、算數(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、字邏輯運(yùn)算等指令，可以采用主程序、中斷程序和最多八級(jí)子程序結(jié)構(gòu)，可使用1～255 ms 定時(shí)中斷。程序中可以設(shè)置多級(jí)口令保護(hù)，監(jiān)控定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為300 ms。S7-200PLC 還支持模擬量輸出、模擬量輸入、數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入、測(cè)溫模塊、通信模塊的擴(kuò)展功能，為CPU 增加大量的附加功能。

2.2 溫度傳感器

溫度數(shù)據(jù)采集是整個(gè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，溫度數(shù)據(jù)的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性。采用鉑金屬電阻Pt100 作為溫度傳感器，其溫度和電阻的轉(zhuǎn)換公式為：

式中：Rt為溫度傳感器的電阻值；T 為攝氏溫度值。

Pt100 溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，溫度的采集范圍可以在-50～+150℃，絕緣電阻在20℃時(shí)大于100 MΩ，時(shí)，精度最小達(dá)到0.15℃，供電電源為+7.5～30 V，功耗小于0.1 W。利用Pt100 電阻測(cè)溫時(shí)，傳感器內(nèi)部電路將溫度變化△T 引起的阻值變化△R 轉(zhuǎn)換為電壓變化△V，再通過(guò)433 MHz 無(wú)線通訊技術(shù)傳遞給PLC 上進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算[9]。

2.3 433MHz無(wú)線模塊

433 MHz 無(wú)線通訊技術(shù)采用是基于瑞士AX5043 射頻芯片的50 mW 窄帶傳輸模塊E31-TTL-50。E31-TTL-50 具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)及功率密度比較集中等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)模塊支持ASK、GFSK 等多種調(diào)制解調(diào)方式，工作頻段為425～450 MHz，可采用多電平供電方式（2.1～5.5 V），最大數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)70 kbps，同時(shí)具有數(shù)據(jù)的壓縮和加密功能[10]。

2.4 通訊單元

PLC 具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接功能，可以方便的聯(lián)入計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口設(shè)備及其他處理器。S7-200 型PLC 通訊接口為RS-485 信號(hào)接口，利用PC/PPI 電纜與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。通訊模式具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊和自由通訊2 種，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊用于實(shí)現(xiàn)PLC 與編程器等產(chǎn)品之間通訊，自由通訊用戶可以自己定義通訊協(xié)議。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊只能應(yīng)用在停止方式下，而自由通訊可以應(yīng)用在運(yùn)行方式下。

3 系統(tǒng)軟件流程

STEP7 為專用軟件編譯平臺(tái)，具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷等功能，以項(xiàng)目方式來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)運(yùn)算、故障報(bào)警等功能，主程序流程圖如圖2。

4 結(jié) 語(yǔ)

以PLC 為核心設(shè)計(jì)礦用低壓配電柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，為礦用低壓配電柜運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)化和礦用電氣設(shè)備智能化技術(shù)的發(fā)展提供參考。

圖2 主程序流程圖