基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣油色譜遠(yuǎn)程自動(dòng)化分析裝置研究

馬小林 董杰 任麗閃 劉湘 錢建華

[摘 要]針對目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室絕緣油色譜分析人工操作引起的系統(tǒng)誤差大、需要人員全程值守的問題，采用基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)研制了一種可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)分析的絕緣油色譜分析裝置。該裝置利用自動(dòng)脫氣及閥進(jìn)樣技術(shù)，避免了分析過程中的人為誤差，通過預(yù)設(shè)智能控制裝置及無線控制反饋功能，能夠利用手機(jī)進(jìn)行儀器遠(yuǎn)程操作控制、數(shù)據(jù)查詢及智能分析，可以滿足多種環(huán)境的應(yīng)用，提高了工作效率及樣品分析結(jié)果的重復(fù)性。

[關(guān)鍵詞]遠(yuǎn)程控制;移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);自動(dòng)化分析;絕緣油色譜

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.12.040

[中圖分類號]F273;TM855[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）12-00-03

0 ? ? 引 言

現(xiàn)階段，電能是人們生活必不可少的部分，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，因此保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。電力變壓器作為重要的輸變電設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)對電力系統(tǒng)至關(guān)重要。隨著社會對電網(wǎng)可靠性運(yùn)行的要求越來越高以及電網(wǎng)自身的發(fā)展要求，變壓器的狀態(tài)檢測技術(shù)顯得尤為重要。目前，國內(nèi)采用的變壓器大部分是油浸式變壓器，通過油中溶解氣體色譜分析技術(shù)可以在變壓器不停電的情況下，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出變壓器是否存在故障，發(fā)現(xiàn)變壓器中的局部以及潛在缺陷，保障電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。目前，便攜式色譜儀和實(shí)驗(yàn)室色譜儀均無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要人員進(jìn)行現(xiàn)場操作，在一些應(yīng)急搶修過程中工作效率不高。如果儀器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開機(jī)，就能減少等待時(shí)間，提高分析效率，更快地得到分析結(jié)果，為及時(shí)開展應(yīng)急搶修奠定基礎(chǔ)。如果便攜式設(shè)備具備遠(yuǎn)程控制能力，則可以在現(xiàn)場持續(xù)工作，配合在線監(jiān)測設(shè)備，得到更準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)分析結(jié)果。本文介紹了一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)分析的色譜裝置、利用自動(dòng)脫氣及閥切換自動(dòng)進(jìn)樣技術(shù)，使從注油到色譜分析的整個(gè)過程無須人工操作，避免人為操作導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用其通訊低時(shí)延的特性，配合預(yù)設(shè)智能控制裝置及無線控制反饋功能，通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制裝置啟停及進(jìn)樣，實(shí)時(shí)觀察氣相色譜裝置運(yùn)行狀態(tài)，將操作人員從煩瑣的分析工作中解放出來，提高了分析效率。

1 ? ? 自動(dòng)化分析方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室絕緣油色譜分析裝置主要包括脫氣裝置及氣相色譜儀兩部分，多為分體式結(jié)構(gòu)，造成了分析過程中人工操作步驟煩瑣的問題，同時(shí)，分析結(jié)果還會受操作水平影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)，再現(xiàn)性較差。針對以上問題，該色譜裝置利用自動(dòng)脫氣及閥切換進(jìn)樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油、脫氣、進(jìn)樣、分離、檢測器檢測及數(shù)據(jù)分析存儲過程的自動(dòng)化，避免了人為誤差，大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 ? 全自動(dòng)脫氣技術(shù)

利用氣相色譜儀進(jìn)行變壓器油中溶解氣體分析時(shí)，油氣分離是整個(gè)分析過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，影響分析結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室色譜分析多采用利用頂空取氣原理的機(jī)械振蕩-溶解平衡法，該方法裝置簡單，且穩(wěn)定性和重復(fù)性比較好，但是該方法步驟煩瑣，且對操作人員的試驗(yàn)水平有一定要求。因此，本文介紹了一種活塞式真空負(fù)壓脫氣方式，通過步進(jìn)電機(jī)控制，對脫氣室用變壓器油樣品進(jìn)行沖洗，通過步進(jìn)電機(jī)的位移控制，控制進(jìn)入脫氣室的樣品體積。關(guān)閉脫氣室外圍電磁閥，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)活塞下移，在活塞和油樣中間形成真空，隨后，油樣在重力作用下下移，脫出的氣體上移到脫氣室頂部?；钊诘撞勘３忠欢螘r(shí)間，保持脫氣室內(nèi)部的真空度?；钊弦频綁毫鞲衅鞯搅銐焊浇?，繼續(xù)下移，進(jìn)行多次脫氣。脫氣完成后，活塞上移，排出脫出氣體到進(jìn)樣系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種方式是一種低成本、工作可靠、脫氣過程可控、全密封、工作效率高的脫氣方式。

1.2 ? 自動(dòng)進(jìn)樣技術(shù)

目前，國內(nèi)的變壓器油色譜分析工作絕大部分都利用手動(dòng)進(jìn)樣方式進(jìn)行，色譜分析數(shù)據(jù)的誤差有很大部分是進(jìn)樣操作過程中人為產(chǎn)生的。該裝置利用六通閥，通過切換閥的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣，主要包括脫氣狀態(tài)及進(jìn)樣狀態(tài)，具體工作流程如圖2所示。

1.3 ? 系統(tǒng)檢測性能驗(yàn)證

GB/T 17623-2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》中對色譜系統(tǒng)的最小檢測濃度、重復(fù)性及再現(xiàn)性均有明確要求，依據(jù)國標(biāo)中的檢測方法，對該裝置檢測性能進(jìn)行了測試，檢測結(jié)果均滿足國標(biāo)中規(guī)定的要求，說明該裝置的檢測數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的，具體檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

2 ? ? 遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計(jì)

為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室色譜全程需要人工值守、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，該裝置基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)絕緣油色譜分析裝置的遠(yuǎn)程控制，由智能外部組件和智能控制軟件組成，智能控制軟件分別安裝在色譜分析裝置和預(yù)設(shè)智能控制裝置中，通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制進(jìn)程，發(fā)出指令控制減壓閥、氫氣發(fā)生器、空氣發(fā)生器、色譜儀的啟停及進(jìn)樣分析，最終實(shí)現(xiàn)絕緣油色譜全自動(dòng)流程化分析，工作站電腦分析軟件利用人工智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析篩選，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，使輔助管理人員識別有效數(shù)據(jù)，提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，形成一套全自動(dòng)化絕緣油色譜分析系統(tǒng)。

2.1 ? 遠(yuǎn)程控制的硬件設(shè)計(jì)方案

色譜儀遠(yuǎn)程控制裝置的硬件包括3.5吋單板電腦、控制電路板和電源模塊。3.5吋單板電腦內(nèi)運(yùn)行色譜工作站，色譜工作站是整個(gè)系統(tǒng)的程序控制核心。一方面，通過和色譜主機(jī)通信完成色譜儀的原始數(shù)據(jù)采集以及色譜狀態(tài)信息讀取，然后根據(jù)移動(dòng)端或本地的控制程序給色譜儀發(fā)送各種控制指令;另一方面，通過和云端控制平臺通信，把色譜分析數(shù)據(jù)以及色譜儀工作狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到云端。同時(shí)，按照接收到的移動(dòng)端應(yīng)用程序發(fā)出的指令發(fā)送給色譜儀實(shí)現(xiàn)色譜儀遠(yuǎn)程控制。此外，色譜工作站和遠(yuǎn)程控制裝置中的控制電路板通信實(shí)現(xiàn)對色譜儀主機(jī)電源、氣源電源、鋼瓶開關(guān)的控制指令交互控制，實(shí)現(xiàn)對儀器電源的遠(yuǎn)程開關(guān)控制。電路控制板含有復(fù)位功能和就地模式，啟動(dòng)復(fù)位功能，色譜儀、氣源和工控電腦主板的電源會同時(shí)重啟;就地模式主要在沒有4G信號的情況下使用，啟動(dòng)就地模式后，色數(shù)數(shù)據(jù)會保存在工作站中，待4G信號恢復(fù)后，自動(dòng)上傳到APP終端。開關(guān)電源用于為工控電腦主板、電路控制板供電。指示燈板用于電源控制的通電顯示和無線通信狀態(tài)的顯示，方便判斷故障。

2.2 ? 遠(yuǎn)程控制的軟件設(shè)計(jì)方案

隨著科技的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，即時(shí)通信軟件逐漸得到普及，所以使用即時(shí)通信軟件對色譜進(jìn)行遠(yuǎn)程控制對色譜控制系統(tǒng)的研發(fā)具有重要意義。釘釘是阿里巴巴集團(tuán)為中國企業(yè)打造的免費(fèi)溝通和協(xié)同的多端平臺，易操作，穩(wěn)定性強(qiáng)。通過手機(jī)釘釘遠(yuǎn)程控制分析系統(tǒng)進(jìn)程，發(fā)出指令控制減壓閥、氫氣發(fā)生器、空氣發(fā)生器、色譜儀的啟停及進(jìn)樣分析，實(shí)時(shí)觀察氣相色譜裝置運(yùn)行狀態(tài)，且該裝置能支持多個(gè)手機(jī)終端控制。

2.2.1 ? 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在色譜系統(tǒng)上連接智能控制模塊，再通過無線收發(fā)模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往阿里云服務(wù)器。手機(jī)外網(wǎng)服務(wù)器部署在阿里云，接收無線模塊上傳的數(shù)據(jù)，給手機(jī)端提供程序服務(wù)。電路控制板通過無線通信功能接收到手機(jī)APP終端的控制命令，控制色譜儀、氣源和工控電腦主板電源的通斷。

2.2.2 ? 控制電路

遠(yuǎn)程控制單元包括智能控制中心、通訊模塊和執(zhí)行電路。智能控制中心由單板電腦和色譜工作站組成，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。單板電腦上有多個(gè)通信接口，一個(gè)USB接口用來和色譜主機(jī)通信，一個(gè)RS232接口和智能控制電路板通信，工控板上的網(wǎng)口可以用來實(shí)現(xiàn)就地控制或者通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于游線的遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制單元中的控制電路板包括MCU處理核心、4G無線通信模塊、RS232通信接口單元、動(dòng)作執(zhí)行單元。MCU處理核心處理工作站發(fā)出的指令，同時(shí)把各個(gè)控制單元的狀態(tài)反饋給工作站，4G無線通信模塊完成和移動(dòng)客戶端的信息交互。在把工作站通過RS232傳輸過來的工作狀態(tài)及色譜數(shù)據(jù)等信息轉(zhuǎn)發(fā)出去的同時(shí)接收移動(dòng)客戶端發(fā)送的控制指令。RS232通信接口單元，通過和3.5寸單板電腦通信實(shí)現(xiàn)和色譜工作的信息交換。動(dòng)作執(zhí)行單元由4路帶狀態(tài)反饋的繼電器電路實(shí)現(xiàn)，可以最多控制4個(gè)外設(shè)的220 V交流工作電源。通訊模塊和控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)在一塊電路板上，無線通信模塊采用板載式4G無線模塊。執(zhí)行電路板通過RS232接口和智能控制中心通訊。無線通信模塊和工作站之間的通信由控制電路板上的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，4G模塊將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝釘釘軟件的應(yīng)用手機(jī)上控制客戶端?？刂齐娐钒迳显O(shè)計(jì)了4路控制繼電器，可以分別控制色譜儀主機(jī)、氫氣發(fā)生器、空氣發(fā)生器、色譜工作站等設(shè)備的電源。智能控制電路板有單獨(dú)的供電模塊，需要長期供電，保持4G無線通信模塊和控制電路板的正常工作。

2.2.3 ? 數(shù)據(jù)通信

智能控制模塊與外網(wǎng)手機(jī)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信采用TCP協(xié)議，以串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方式將指令數(shù)據(jù)或色譜數(shù)據(jù)打包成字節(jié)流進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。用戶在手機(jī)端查看數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制則通過訪問服務(wù)器網(wǎng)站進(jìn)行操作與管理。

2.2.4 ? 系統(tǒng)安全

手機(jī)端系統(tǒng)面向用戶提供服務(wù)，主要面臨來源于網(wǎng)站應(yīng)用層面的風(fēng)險(xiǎn)與數(shù)據(jù)層面的風(fēng)險(xiǎn)。其中，數(shù)據(jù)層面的風(fēng)險(xiǎn)主要來自數(shù)據(jù)庫自身的漏洞、用戶權(quán)限、用戶密碼、數(shù)據(jù)通信等。針對涉及數(shù)據(jù)庫的安全風(fēng)險(xiǎn)，通過數(shù)據(jù)庫用戶的密碼及用戶權(quán)限配置進(jìn)行安全防護(hù)，通過升級數(shù)據(jù)庫版本以及及時(shí)升級漏洞補(bǔ)丁等防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，且不對外開放數(shù)據(jù)庫端口。針對數(shù)據(jù)通信方面的安全風(fēng)險(xiǎn)，為保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，系統(tǒng)要求在數(shù)據(jù)進(jìn)行交換時(shí)對傳遞參數(shù)進(jìn)行token驗(yàn)證，驗(yàn)證方式采用DES安全加密，如果驗(yàn)證不通過，則無法獲取正確數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全防護(hù)。應(yīng)用層面的風(fēng)險(xiǎn)主要來自網(wǎng)站應(yīng)用和系統(tǒng)運(yùn)行軟件自身的一些風(fēng)險(xiǎn)漏洞。針對Web應(yīng)用層面的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)依托釘釘應(yīng)用的驗(yàn)證方式過濾用戶，只有通過驗(yàn)證的用戶才能進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、遠(yuǎn)程控制等操作，非法登錄的用戶則無法獲取任何信息，以此保證數(shù)據(jù)安全。

3 ? ? 結(jié) 語

本文研發(fā)了一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)分析的色譜裝置，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室色譜相比，融合了自動(dòng)脫氣、閥切換自動(dòng)進(jìn)樣及智能控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室變壓器油色譜分析工作中人工操作煩瑣、系統(tǒng)誤差大及工作強(qiáng)度高的問題，極大提高了工作效率及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的各方面性能，得出如下結(jié)論。①研發(fā)的自動(dòng)脫氣模塊及自動(dòng)進(jìn)樣模塊，脫氣速度快，效率高，避免了人工操作引入的系統(tǒng)誤差，提高了工作效率及其準(zhǔn)確性。②自動(dòng)分析裝置各方面性能突出，依據(jù)國標(biāo)分別進(jìn)行了最小檢測濃度、重復(fù)性及再現(xiàn)性測試，該裝置檢測性能均優(yōu)于國標(biāo)中的要求。③基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以使用戶通過手機(jī)進(jìn)行色譜系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，使輔助管理人員及時(shí)識別有效數(shù)據(jù)，提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，形成一套全自動(dòng)化絕緣油色譜分析系統(tǒng)。

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