一種基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)

劉偉爾（浙江省嵊州市三溪江水利電力管理處，浙江省　嵊州市　312400）

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一種基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)

劉偉爾（浙江省嵊州市三溪江水利電力管理處，浙江省嵊州市312400）

PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)主要用于水電站高壓配電室的復(fù)雜情況，使用這種監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時(shí)監(jiān)控到SF6與氧氣的濃度。本文對(duì)這種監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理以及該系統(tǒng)的硬件電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，采用硬件設(shè)備的聯(lián)機(jī)調(diào)試對(duì)SF6以及其他氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

SF6氣體；監(jiān)控系統(tǒng)；工作原理；程序設(shè)計(jì)

引言

SF6氣體在一般情況下具有無(wú)色、無(wú)毒以及不燃等特點(diǎn)，屬于惰性氣體，它的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定，它的絕緣性能非常好，因此被普遍的使用在水電站或者發(fā)電站中。SF6在高溫環(huán)境中與氧氣、鋁等很多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如果在電弧的作用下會(huì)產(chǎn)生分解，生成SF4、SO2、F2等低氟化合物，這些化合物含有毒成分會(huì)危害人體健康，因此，在這種比較復(fù)雜的工作環(huán)境需要一種比較安全而且穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)這些氣體時(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)濃度。已往采用的AT89S51單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)這種比較復(fù)雜的環(huán)境不能發(fā)揮很好的抗干擾能力，不能安全穩(wěn)定的進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，也就滿足不了工作需要，而PLC的抗干擾能力要比AT89S51單片機(jī)強(qiáng)很多，因此西門(mén)子PLC控制的SF6監(jiān)控系統(tǒng)在復(fù)雜的工作環(huán)境就能發(fā)揮很好的效果。

1　系統(tǒng)組成原理以及功能

SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，工作原理是：SF6氣體傳感器對(duì)配電裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以后將數(shù)據(jù)傳送到PLC，然后PLC會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，同時(shí)采用對(duì)應(yīng)的處理程序。這種監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分有：濃度監(jiān)控報(bào)警器、SF6與O2傳感器、以及溫濕度變送器等。當(dāng)SF6氣體以及氧氣的濃度發(fā)生改變時(shí)，SF6傳感器就能傳達(dá)信號(hào)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給PLC中，PLC經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算對(duì)SF6氣體是否存在超標(biāo)做出判斷，如果超出范圍，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)。這種系統(tǒng)也可以通過(guò)溫濕度傳感器可以檢測(cè)空氣的溫度和濕度，如果室內(nèi)的濕度過(guò)大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送信號(hào)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，保證空氣中的溫度和濕度在一定范圍內(nèi)，以免由于濕度過(guò)大造成線路短路情況。

圖1　系統(tǒng)原理圖

2　系統(tǒng)主要元件選型

2.1PLC類型的選擇

目前我們經(jīng)常使用的是SMATICS7-200系列PLC以及S7-300系列PLC，能夠在各種環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)以及自動(dòng)化控制，并發(fā)揮很好的效果。它們的優(yōu)勢(shì)是可靠性強(qiáng)、很好的抗干擾能力、操作靈活很容易掌握、內(nèi)置集成比較豐富、通訊能力非常好等特點(diǎn)。

正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)我們選擇西門(mén)子的S7-200系列PLC作為電氣控制系統(tǒng)的主機(jī)，在這個(gè)系列中又包含CPU221、CPU222、CPU224、CPU226以及CPU226XM等，由于監(jiān)控系統(tǒng)中需要大量數(shù)據(jù)的輸入和輸出以及數(shù)據(jù)模擬分析，因此最后確定選用西門(mén)子CPU226和擴(kuò)展模塊EM231，這樣可以達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。

2.2SF6氣體傳感器的選擇

SF6氣體傳感器主要是電化學(xué)氣體傳感器，它能夠在正常使用下使精度達(dá)到很高，小于等于1×10-8。如果水電站處于非常復(fù)雜的環(huán)境中，這種傳感器就滿足不了使用，穩(wěn)定性也非常差，因此，這時(shí)可以選擇德國(guó)Smart GAS制造的紅外SF6傳感器，這種傳感器是通過(guò)紅外吸收光譜進(jìn)行的測(cè)量，它比電化學(xué)傳感器更具有優(yōu)勢(shì)，它的雙波會(huì)比較長(zhǎng)、可靠性非常高、與其他氣體不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、使用期限在十年左右、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、功耗比較低、數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)輸出非?？臁?/p>

2.3溫濕度傳感器的選擇

高壓配電裝置在復(fù)雜環(huán)境中會(huì)受到空氣的溫度和濕度的影響，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)影響，因此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用了瑞士的一家科技公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器，類型有SHT10、SHT11 SHT15，其中我們使用的是SHT15芯片的溫濕度傳感器。這種芯片的傳感器主要優(yōu)勢(shì)是：芯片可以全程進(jìn)行標(biāo)定、可以同時(shí)進(jìn)行兩線數(shù)據(jù)輸出、測(cè)量濕度的范圍在0～100%RH之間且精度為±2.05%RH、濕度的測(cè)量范圍在-40～124.5℃之間且精度為±0.35℃。

3　電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能以及實(shí)際情況進(jìn)行分析，我們采用西門(mén)子的CPU226為核心的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)，模擬量的輸入需要多路，因此模擬量的擴(kuò)展模塊使用EM231，同時(shí)需要連接兩個(gè)高壓配電室的傳感器。

3.2I/O地址分配

依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和控制要求，可以對(duì)PLC控制的輸入和輸出地址進(jìn)行確定，如表1所示。

表1　PLC的輸入和輸出分配表

4　軟件設(shè)計(jì)

PLC在執(zhí)行程序過(guò)程中通過(guò)對(duì)逐行進(jìn)行掃描，系統(tǒng)按照規(guī)定的順序進(jìn)行工作。程序初始化的順序?yàn)椋褐鞒绦蜷_(kāi)始-模擬量A/D進(jìn)行初始化程序-對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理-氣體濃度超標(biāo)報(bào)警信息-人體語(yǔ)音報(bào)警信息。

5　設(shè)備調(diào)試遇到的問(wèn)題以及解決方法

設(shè)備在啟動(dòng)程序完成以后需要進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)在發(fā)電以后可以看到SF6氣體傳感器的數(shù)據(jù)顯示波動(dòng)情況非常大，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)顯示波動(dòng)情況也非常大，這與在進(jìn)行調(diào)試之前使用的AT89S51單片機(jī)測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)差別非常大，采用示波器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行檢測(cè)所顯示的頻率以及振幅等其他參數(shù)數(shù)值也非常不穩(wěn)定，因此，PLC在運(yùn)行時(shí)會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)很多信號(hào)的影響使得模擬信息不能穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。

如果對(duì)模擬信息進(jìn)行濾波以后，信號(hào)的輸入以及監(jiān)控到的數(shù)據(jù)機(jī)會(huì)穩(wěn)定很多，數(shù)據(jù)信息比較接近實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，因此，在這種復(fù)雜的工作環(huán)境中，使用PLC為監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的核心就要對(duì)它的模擬量做好濾波處理。

6　PLC模擬量濾波方法以及程序設(shè)計(jì)

6.1模擬量濾波方法

不同的運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)受到信號(hào)干擾的程度也會(huì)不一樣，因此，對(duì)模擬量需要采用不同的濾波方法進(jìn)行操作。一般常用的濾波方法有：

（1）中值濾波法。這種方法主要是針對(duì)因?yàn)榕既灰蛩匦纬傻牟▌?dòng)造成的干擾或者是因?yàn)椴蓸悠鞑环€(wěn)定造成的干擾，對(duì)那些變化比較快的參數(shù)不采用這種方法。

（2）算數(shù)平均值法。這種方法主要是對(duì)壓力或者流量等周期性波動(dòng)進(jìn)行采集數(shù)值，然后做平滑加工，但是加工的效果一般不是很理想。

（3）程序判斷法。對(duì)程序的運(yùn)行做出濾波判斷，是屬于限幅濾波還是限速濾波。

（4）加權(quán)平均值濾波法。這種方法主要是根據(jù)各個(gè)參數(shù)值的比例設(shè)置不一樣，采樣次數(shù)越多，獲得的比例也就越大，因此，可以添加新的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)平均值的方法得到比例。

（5）低通濾波法。這種方法主要是對(duì)一些高頻信息進(jìn)行過(guò)濾，設(shè)定通過(guò)的是低頻信號(hào)，削弱高頻信號(hào)，依據(jù)程序來(lái)設(shè)定具體的參數(shù)。

6.2PLC模擬量程序設(shè)計(jì)

水電站的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，而且干擾因素比較多，比如運(yùn)行環(huán)境空氣的溫度、濕度以及電磁場(chǎng)等，這些對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)試工作帶來(lái)很大困難。困難的表現(xiàn)除了以上因素還有因?yàn)楸O(jiān)控系統(tǒng)中信息輸出會(huì)受到很多干擾因素，比如噪聲干擾，這種干擾是隨機(jī)性的有時(shí)是周期性的。為了確保檢測(cè)的準(zhǔn)確，提高系統(tǒng)功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)之前需要先控制被檢測(cè)信息的噪音。干擾信號(hào)常見(jiàn)的有50Hz的干擾信號(hào)，對(duì)它進(jìn)行處理可以用積分時(shí)間為20ms的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可以很好的控制模擬量在輸入時(shí)受到的影響。

這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一種需要使用硬件來(lái)處理干擾信號(hào)，另一種需要使用軟件來(lái)處理干擾信號(hào)。系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中采用數(shù)字濾波方法來(lái)消除或者減弱噪音干擾。雖然在相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，還是會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的干擾，尤其是在是施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出很多的尖峰脈沖干擾信號(hào)，這種干擾信號(hào)與一般情況下的干擾信號(hào)有很大不同，如果采用算數(shù)平均值的方法只能計(jì)算平均結(jié)果，對(duì)尖峰脈沖形成的輸入值則不能計(jì)算，因此，這種情況下需要采用低通濾波方法對(duì)模擬量進(jìn)行濾波。

7　總結(jié)

通過(guò)采用硬件以及軟件進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)更加可靠和穩(wěn)定，也可以精確的測(cè)量高壓配電室的SF6氣體的濃度，采用紅外線語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的安全性，對(duì)工作人員的人身安全有了一定保障，在使用中發(fā)揮很好的實(shí)用性。

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2016-5-1

TP273

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2095-2066（2016）14-0228-02