基于GSM的SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)研究

周斌 袁鏡江 吳樹平 王文獻(xiàn) 蔡寶龍

摘 ?要：針對(duì)傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在控制延遲時(shí)間長(zhǎng)，無法滿足對(duì)溫室氣體SF6控制的時(shí)效性需要的問題，開展SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)研究。通過基于GSM的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置、遠(yuǎn)程控制裝置等硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和基于GSM的SF6在線凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸、可視化遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)，完成遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比可有效縮短延遲時(shí)間，更加及時(shí)地對(duì)SF6氣體進(jìn)行凈化處理。

關(guān)鍵詞：GSM ?SF6在線凈化裝置 ?遠(yuǎn)程操作 ?系統(tǒng)研究

中圖分類號(hào)：TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2020）10（a）-0026-04

Abstract： In view of the problem that the traditional remote-control system has a long control delay time， which cannot meet the timeliness requirements of greenhouse gas SF6 control， the remote operation control system of SF6 online purification device was studied. Through the hardware structure design of GSM based data transceiver device and remote-control device， and the design of SF6 online purification device field data transmission and visual remote control based on GSM， the design of remote operation control system is completed. The experimental results show that compared with the traditional control system， the system can effectively shorten the delay time and purify SF6 gas timelier.

Key Words： GSM; SF6 online purification device; Remote operation; System study

在有觸電的電氣設(shè)備中，觸頭接通或斷開電流的過程中常常會(huì)造成電弧的產(chǎn)生和熄滅，而電弧是一種氣體放電的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)設(shè)備會(huì)造成一定的損害[1]。SF6是一種滅弧性良好的氣體，因此被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的保護(hù)氣體。但同時(shí)SF6氣體也是常見六種溫室氣體之一，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅，因此為了進(jìn)一步制止SF6氣體的直接排放，為環(huán)境保護(hù)提供條件，并在一定程度上促進(jìn)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，開展對(duì)SF6氣體的回收、凈化處理及再利用研究十分重要。伴隨著國(guó)家對(duì)于影響環(huán)境的溫室氣體排放力度不斷加強(qiáng)，以及電網(wǎng)相關(guān)企業(yè)對(duì)SF6氣體排放、回收、凈化處理的循環(huán)再利用工作的高度重視，使得當(dāng)前集控型的SF6氣體在線凈化處理裝置的數(shù)量的不斷增加。當(dāng)前大部分SF6在線凈化裝置內(nèi)部都是通過布設(shè)壓力容器以及相關(guān)帶壓管路實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體的凈化功能，當(dāng)操作人員出現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，可能會(huì)對(duì)其人身安全造成危害，因此有關(guān)部門對(duì)于該裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求[2]。綜合上述問題，該文結(jié)合全球移動(dòng)通信技術(shù)GSM，提出一種有關(guān)SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6在線凈化裝置的遠(yuǎn)程操作，保障操作人員的人身安全。

1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 基于GSM的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置

該文系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置采用核心為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)器，采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i雙頻900/1800MHz高度集成的GSM模塊，該模塊具備與其他同等類型更加強(qiáng)大的功能，通過該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體在線凈化裝置的遠(yuǎn)程語(yǔ)音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并且該裝置已經(jīng)獲得了國(guó)家通信入網(wǎng)的許可。其次，數(shù)據(jù)收發(fā)裝置上還包括GSM系統(tǒng)的移動(dòng)用戶所持有的IC卡、接口電路、天線等硬件結(jié)構(gòu)[3]。通過基于GSM的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，系統(tǒng)用戶可通過PC機(jī)配置模塊，在SF6在線凈化裝置不同的工作狀態(tài)下進(jìn)行隨意的切換，在GSM模式下，路由模塊具有自動(dòng)路由的功能，用戶可通過多模塊組合的方式，形成無盲區(qū)無距離限制的組網(wǎng)傳輸。用戶還可通過PC軟件或串口指令對(duì)無線數(shù)據(jù)進(jìn)行AES128加密，使數(shù)據(jù)傳輸更為安全。數(shù)據(jù)收發(fā)電路如圖1所示。

1.2 遠(yuǎn)程控制裝置

該文系統(tǒng)中使用的控制中心計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用的是常用PC機(jī)設(shè)備，與上文中的數(shù)據(jù)收發(fā)裝置相互連接，主要運(yùn)行原理是通過轉(zhuǎn)換芯片Xl 4001將邏輯門電路中的電平轉(zhuǎn)換為穿行通信接口標(biāo)準(zhǔn)電平，再與計(jì)算機(jī)的串口相互連接。遠(yuǎn)程控制裝置主要是由基于ARM內(nèi)核的32位微控制裝置、微處理裝置組成的78B41單片機(jī)，以及LED數(shù)碼管、鍵盤、4個(gè)發(fā)光二極管等相關(guān)元件組成。采用的控制器型號(hào)為SPC-STW-2612CMS移動(dòng)控制器，是德國(guó)STW與碩博電子聯(lián)合開發(fā)的一款經(jīng)濟(jì)型移動(dòng)控制器，控制器核心為AT78B41單片機(jī)[4]。SPC-STW-2612CMS型號(hào)控制器具備3路CAN總線，1路RS232串口通信，26路IO資源，端口高度復(fù)用，輸入端口可采集高低電平、電壓、電流、脈沖等信號(hào)，同時(shí)端口還復(fù)用輸出資源，輸出為DO，3A，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，還具備12路PWM及2路H橋功能。SPC-STW-2612CMS型號(hào)控制器與其他相同類型控制器相比，具有高防護(hù)等級(jí)、小體積、高集成度、高響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適用于該文基于GSM的SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)。

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 SF6在線凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸

SF6在線凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要通過上位機(jī)及網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。首先由上位機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)的通信，對(duì)SF6在線凈化裝置產(chǎn)生的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)信息包括裝置內(nèi)部的溫度、壓力、SF6氣體濃度等。通過遠(yuǎn)程控制平臺(tái)還需要對(duì)裝置運(yùn)行過程中的狀態(tài)以及周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，根據(jù)不同的狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，對(duì)裝置下達(dá)SF6氣體處理、尾氣處理、充氮再生以及抽真空等控制指令。

利用GSM系統(tǒng)中的PLC、CPRS無線傳感以及SF6氣體在線凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)拐角上方的無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)裝置，通過無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)點(diǎn)對(duì)接的方式，自動(dòng)匹配和無線直接，通過網(wǎng)絡(luò)接口處連接的路由器自動(dòng)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)控制云臺(tái)當(dāng)中[5]。通過可控制邏輯控制器連接故障預(yù)警模塊，將輸出端與排風(fēng)設(shè)備的控制端相連，并經(jīng)過通用分組無線服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)控制云臺(tái)連接，自動(dòng)將SF6氣體凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力等數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制云臺(tái)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6在線凈化裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 可視化遠(yuǎn)程控制

可視化遠(yuǎn)程控制以單片機(jī)作為控制核心，通過GSM控制模塊接收到的數(shù)據(jù)信息，利用外部中斷檢測(cè)數(shù)據(jù)信息的輸入。將當(dāng)前被控制的SF6在線凈化裝置狀態(tài)返回到網(wǎng)絡(luò)控制云臺(tái)中，通過發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置控制的可視化。通過單片機(jī)程序流程對(duì)發(fā)光二極管點(diǎn)陣動(dòng)態(tài)顯示接受信息，具體單片機(jī)程序可視化遠(yuǎn)程控制流程如圖2所示。

第一步，開始中斷SF6在線凈化裝置處理程序?qū)梢暬h(yuǎn)程控制模塊進(jìn)行初始化。第二步，設(shè)置異步串口通信方式，設(shè)置波特率為7200bps，無檢驗(yàn)位，6個(gè)數(shù)據(jù)位，接收模塊將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息返回。第三步，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)向單片機(jī)發(fā)送正確的AT讀指令，并檢驗(yàn)發(fā)送是否成功，單片機(jī)端設(shè)置鍵盤元件，用于輸入發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。第四步，系統(tǒng)接收返回信息，采用終端方式檢驗(yàn)是否有信息傳輸，并判斷數(shù)據(jù)的安全性，若數(shù)據(jù)正確，則判斷該數(shù)據(jù)為信息類型，并由模塊將單片機(jī)信息的不同頭信息返回，以一個(gè)ok結(jié)束，對(duì)提取的信息進(jìn)行不同處理。若數(shù)據(jù)屬于下傳數(shù)據(jù)，則再將其利用LED數(shù)碼管顯示控制信息，LED數(shù)碼管嫻熟的是從鍵盤輸入到發(fā)送的數(shù)據(jù)，以及接收到的SF6在線凈化裝置實(shí)施運(yùn)行數(shù)據(jù)，清空接收緩沖區(qū)。第五步，中斷返回，結(jié)束控制。

3 ?實(shí)驗(yàn)論證分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于GSM的SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中是否可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。將該文系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，比較兩種系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的性能。采用同一廠家生產(chǎn)的2臺(tái)規(guī)格、性能均相同的SF6凈化裝置，分別利用該文控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)該裝置進(jìn)行控制，并將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，進(jìn)行5次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并設(shè)定裝置在完成控制時(shí)應(yīng)達(dá)到的相關(guān)要求，比較兩組對(duì)裝置的控制延遲時(shí)間，表1為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組控制延遲結(jié)果。

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組在對(duì)同一臺(tái)裝置進(jìn)行5次控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)組的延遲時(shí)間差即為延遲差，控制延遲時(shí)間差在8.88～11.51s不等。通過5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，實(shí)驗(yàn)組的延遲時(shí)間明顯比對(duì)照組延遲時(shí)間更短，在對(duì)裝置進(jìn)行5次不同控制時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的控制延遲時(shí)間相差較小，而對(duì)照組的延時(shí)時(shí)間相差較大。經(jīng)計(jì)算，5組控制實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組相比對(duì)照組提升效率均在44%以上。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，該文提出的基于GSM的SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中延遲時(shí)間更短，且不同控制效果對(duì)延遲時(shí)間的影響不大，因此不易受到外界環(huán)境因素的影響。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該文提出的基于GSM的SF6在線凈化裝置遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)借助于控制中心及遠(yuǎn)端控制器的GSM模塊，對(duì)SF6在線凈化裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理不僅可以應(yīng)用于SF6氣體的凈化裝置，還可將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等多個(gè)領(lǐng)域用于對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸和可視化控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭乾，李馥安，武超，等.基于STC89C51單片機(jī)和GSM的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，35（5）：36-41，45.

[2] 胡金良，李志成，張翠俠.基于STC89C52單片機(jī)和GSM的廚房安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，34（5）：12-16，23.

[3] 馮靈云，樊晶光，張巖松，等.制藥工藝人工投料工序高危藥物粉塵控制與凈化裝置研制[J].暖通空調(diào)，2019，49（6）：17-21.

[4] 張擎紅.CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)主要需求的探討[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2020，17（3）：72-76.

[5] 羅銀飛，王志明，趙振，等.基于PLC的泥漿循環(huán)凈化裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].金屬礦山，2019，17（11）：169-175.

[6] 鐘世強(qiáng)，范明豪，祁炯，等.新型SF6氣體凈化處理系統(tǒng)吸附劑在線再生裝置[J].電工技術(shù)，2018（19）：61-62，65.