機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 昊，安 杰

（天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津300060）

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，電氣設(shè)備在工業(yè)中的地位越來(lái)越重要，所占的比重越來(lái)越大，工業(yè)電氣柜用于承載各種電氣設(shè)備，在工業(yè)中有著重要的使用，主要廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、電力系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)、工業(yè)、核電行業(yè)、消防安全監(jiān)控、交通行業(yè)等。為保證電氣柜及設(shè)備的正常運(yùn)行，就需要研發(fā)一種集柜內(nèi)狀態(tài)異常監(jiān)測(cè)（燃燒預(yù)警）、柜內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、SPD（防雷器）監(jiān)測(cè)、防盜監(jiān)測(cè)、除濕及加溫功能于一體的工業(yè)機(jī)柜電氣設(shè)備防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置，并且該裝置通過(guò)有效監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)預(yù)警的預(yù)知性和準(zhǔn)確性。

由于電氣柜內(nèi)線(xiàn)纜及設(shè)備材料外皮多采用低煙無(wú)鹵及FEP 材料，低煙無(wú)鹵材料當(dāng)發(fā)生燃燒時(shí)沒(méi)有濃煙產(chǎn)生，F(xiàn)EP 具有很強(qiáng)的防火性，在燃燒冒煙分解之前可以耐受高達(dá)800 ℃以上的溫度，比通常無(wú)鹵纜最高可耐受150 ℃的溫度要高數(shù)倍，因此很難通過(guò)常規(guī)的火災(zāi)報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行提前預(yù)警[1]。

現(xiàn)有電氣柜設(shè)備故障及火災(zāi)隱患判定方法基本采用溫度監(jiān)測(cè)、以及煙霧報(bào)警器監(jiān)測(cè)的方式，只有當(dāng)柜內(nèi)設(shè)備及線(xiàn)纜燃燒后產(chǎn)生高溫及煙霧后才能獲取報(bào)警信息，該方法技術(shù)單一，報(bào)警的同時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)概述

機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置是運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和自動(dòng)在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集實(shí)時(shí)性、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化于一體的新型多功能電氣柜防護(hù)預(yù)警集成裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫濕度、CO2、PM10 及TVOC 預(yù)警、SPD 狀態(tài)預(yù)警、機(jī)柜開(kāi)閉門(mén)狀態(tài)等多種環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警及遠(yuǎn)傳，同時(shí)還具備柜體除凝露、低溫加熱、聯(lián)動(dòng)除塵裝置的功能，該系統(tǒng)能有效降低設(shè)備運(yùn)行中的故障概率，消除事故隱患保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行[2]。

本裝置核心技術(shù)是通過(guò)TVOC 及CO2監(jiān)測(cè)，然后根據(jù)電氣柜內(nèi)設(shè)備及線(xiàn)纜高溫或燃燒后產(chǎn)生的總揮發(fā)性有機(jī)物的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)及火災(zāi)的提前預(yù)警，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。

2 機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置

裝置組成包括裝置外殼、除濕裝置（半導(dǎo)體制冷芯片、風(fēng)扇及鋁制散熱片、排水管）、加熱芯片、電源模塊、MCU 控制電路模塊、顯示及鍵盤(pán)模塊、溫濕度傳感器、CO2傳感器、PM10 傳感器、TVOC 傳感器、機(jī)柜門(mén)開(kāi)閉傳感器、加熱器、半導(dǎo)體制冷除濕器、SPD 監(jiān)測(cè)單元、433 MHz 無(wú)線(xiàn)模塊及電線(xiàn)[3]，如圖1所示。

圖1 裝置組成圖Fig.1 Device composition diagram

3 智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置工作原理

MCU 控制電路通過(guò)溫濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其與設(shè)置的濕度閾值進(jìn)行比對(duì)，超過(guò)閾值即啟動(dòng)除濕，低于閾值則停止除濕；當(dāng)溫度低于設(shè)置的溫度閾值啟動(dòng)加熱器，高于閾值則停止加熱器[4]。

當(dāng)柜內(nèi)發(fā)生短路引起電氣（電纜）燃燒產(chǎn)生煙霧，MQ-2 煙霧傳感器采集煙霧數(shù)據(jù)反饋MCU 控制電路，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)電氣電纜燃燒產(chǎn)生的煙霧較少也會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味氣體引發(fā)TVOC 傳感器報(bào)警[5]。

MCU 控制電路具有開(kāi)關(guān)量接口，可以檢測(cè)機(jī)柜門(mén)開(kāi)閉傳感器輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和SPD 的遙信口發(fā)出的熱脫扣通斷信號(hào)；MCU 控制電路可以通過(guò)小型互感器采集SPD 漏電流信息及浪涌信息，通過(guò)MCU 內(nèi)部程序分析SPD 狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

MCU 控制電路采用無(wú)線(xiàn)模塊用于設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)通訊，MCU 內(nèi)程序使用MODBUS RTU 協(xié)議與系統(tǒng)平臺(tái)通訊。

GPRS 通訊模塊模塊（4G RTU）內(nèi)部連接無(wú)線(xiàn)模塊，用于和機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置通訊，實(shí)現(xiàn)1 對(duì)多廣播通訊，GPRS 模塊收到系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)送的MODBUS TCP 協(xié)議03 命令轉(zhuǎn)換成MODBUS RTU 協(xié)議廣播發(fā)送其他接收裝置，裝置讀取命令后如果設(shè)備地址符合則返回06 命令作為應(yīng)答[6]。

4 機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置的主要功能

（1）可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜溫濕度監(jiān)測(cè)報(bào)警功能；實(shí)時(shí)采集柜內(nèi)溫濕度，具有溫濕度控制及報(bào)警功能。

（2）機(jī)柜智能冷卻除凝露功能可以解決機(jī)柜凝露問(wèn)題，降低柜內(nèi)濕度，達(dá)到良好除濕效果。

（3）可以實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)輔助加熱功能；冬季或室外可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)進(jìn)行輔助加熱，保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

（4）對(duì)機(jī)柜內(nèi)的防雷模塊SPD 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（5）根據(jù)監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)線(xiàn)路及設(shè)備燃燒所釋放的煙霧及TVOC 氣體分析電氣狀態(tài)實(shí)現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警；解決了電線(xiàn)燃燒，絕緣體損壞，線(xiàn)材實(shí)質(zhì)性能下降，引起的安全事故。

（6）柜體開(kāi)關(guān)門(mén)狀態(tài)報(bào)警及柜體拆卸報(bào)警；根據(jù)機(jī)柜門(mén)的開(kāi)閉反饋傳感器實(shí)現(xiàn)防盜防誤動(dòng)的效果。

（7）各裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)智能廣播組網(wǎng)功能，通訊支持MODBUS TCP 協(xié)議。

（8）支持GPRS 遠(yuǎn)傳，整合采集分析與GPRS/CDMA/寬帶通訊傳輸技術(shù)為一體。

5 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)柜智能綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成包括防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)裝置、GPRS 通訊模塊（4G RTU）、通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、大屏幕等設(shè)備，還包括機(jī)柜綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件（BS 架構(gòu)）及APP 軟件，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 System composition diagram

6 機(jī)柜綜合防護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能

（1）軟件采用B/S 結(jié)構(gòu)，支持網(wǎng)上瀏覽、操作；通過(guò)中心站遠(yuǎn)程平臺(tái)軟件或APP 軟件監(jiān)測(cè)管理機(jī)柜防護(hù)裝置的功能。

（2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示（溫濕度、煙霧及TVOC 報(bào)警、開(kāi)關(guān)門(mén)狀態(tài)、SPD 狀態(tài)等）、運(yùn)算、存儲(chǔ)功能。采用圖形界面，可根據(jù)用戶(hù)的需要?jiǎng)?chuàng)建總貌圖、流程圖、趨勢(shì)曲線(xiàn)圖、報(bào)警畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)裝置的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的定時(shí)存儲(chǔ)，可根據(jù)用戶(hù)的需要每間隔一定時(shí)間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)?？杀４?0年以上的歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能：形成的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可方便的進(jìn)行分類(lèi)查詢(xún)和組合查詢(xún)。

（4）自動(dòng)報(bào)表生成打印功能：數(shù)據(jù)按日、月、年、任意時(shí)間段生成報(bào)表，生成曲線(xiàn)、對(duì)比曲線(xiàn)，可根據(jù)用戶(hù)的具體要求打印各種報(bào)表日?qǐng)?bào)、月報(bào)、數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)圖等。

（5）智能化分析模塊功能：系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，為管理部門(mén)或決策者提供科學(xué)的依據(jù)。

（6）軟件支持遠(yuǎn)程設(shè)置、修改現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作參數(shù)。

（7）軟件支持授權(quán)管理，授予不同的使用者不同的權(quán)限。

（8）預(yù)留與其它監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。

7 結(jié)語(yǔ)

該裝置與系統(tǒng)的應(yīng)用能滿(mǎn)足對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫濕度監(jiān)控、煙霧及刺激氣體報(bào)警、防雷預(yù)警、機(jī)柜開(kāi)閉門(mén)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等多種需求同時(shí)還具備柜體除凝露、低溫加熱等功能，該系統(tǒng)不僅能有效降低設(shè)備運(yùn)行中的故障概率，消除事故隱患，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，而且還能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命達(dá)10%～20%。其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，該系統(tǒng)無(wú)論從節(jié)能環(huán)保，還是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的角度看，此項(xiàng)投資都具有長(zhǎng)遠(yuǎn)而深刻的實(shí)際意義。