礦用低壓配電柜溫度監測系統設計

2019-09-27 06:26:56劉明琦

煤礦安全 2019年9期

劉明琦

（北京機床研究所有限公司，北京100102）

隨著我國電力快速發展和持續轉型升級，大電網不斷延伸、電壓等級不斷提高、大容量高參數發電機組不斷增多，新能源發電大規模集中并網，電力設備種類和數量不斷增加，電力系統形態及運行特性日趨復雜，對系統支撐能力、轉移能力、調節能力提出了更高要求[1]。低壓配電柜作為企業、學校、醫院、大型酒店等用戶電力網絡的重要設備，主要用于并入和切除下級用電設備，具有故障保護功能，在配電網絡中起到控制和保護雙重作用。

從20 世紀80 年代我國開始引進低壓配電柜，到90 年代逐步形成成套的設施，通過將國外先進設備引進中國，在技術上實現了很大突破。從引進的國外設備來看，這些設備在設備故障防護水平、柜體設計、加工工藝程度以及智能化開關設備中都具有先進的水平。同時也推動了國內各大企業致力于集中監控，更加積極的進行智能化低壓成套設施與智能化開關。長期運行部件老化、封閉運行熱量集中、封閉結構不利于熱量散發等導致低壓配電柜溫升過高，長時間得不到有效處理直接威脅低壓配電柜產品性能，甚至引起停電或火災等事故[2]。礦用低壓配電柜是礦山主要的配電設備，其性能好壞直接關系到礦山安全生產工作能否順利開展。因此開展關于礦用低壓配電柜溫度實時監測技術的研究，對于提升煤礦低壓配電系統穩定性和安全性、保證礦用電氣設備安全具有十分重要的意義。

無線通信(Wireless communication)是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。無線通訊技術常用的有Wi-Fi、藍牙、Zigbee、射頻技術等，免布線、安裝方便時無線通訊技術的主要優點。射頻通信常用的頻段為315、433、868、915 MHz 等，其中433 MHz 在我國為免費且不需要許可認證的專用收發頻段，射頻通信技術具有穿透能力強、功耗低、通訊距離遠、成本低等優點，廣泛應用在工業控制、狀態監控、智能家居、醫療器械等領域[3-5]。

1 礦用低壓配電柜溫度監控系統結構

基于433 MHz 無線通訊技術的礦用低壓配電柜溫度監測系統利用433 MHz 網絡作為溫度數據傳輸的方式，實現對礦用低壓配電柜的溫度參數實時監測、傳輸、顯示和故障保護功能[6-7]。礦用低壓配電柜溫度監測系統主要由溫度傳感器組、433 MHz網絡、電源模塊、PLC、復位單元、報警單元、通訊單元、監控主機等組成，其中PLC 采集433 MHz 網絡反饋的溫度數據，并進行數據計算和比較，在溫度異常情況下進行報警，同時通過通訊單元將溫度數據和礦用低壓配電柜運行狀態發送到監控主機。433 MHz 無線網絡實現溫度傳感器組的溫度數據和PLC 之間的無線通訊[8]。溫度傳感器組用于采集礦用低壓配電柜溫度參數。礦用低壓配電柜溫度監測系統結構簡圖如圖1。

圖1 礦用低壓配電柜溫度監測系統結構簡圖

2 系統硬件

2.1 PLC

S7-200 屬于SIMATIC 系列PLC 中微型產品，為無風扇、模塊化結構，具有結構緊湊、可靠性高的優點，編程語言為梯形圖、語句表和功能塊3 種模式，指令功能強大，易于掌握、操作方便。S7-200PLC本機集成了輸入輸出端口和24V 負載電源，可以選擇不同的電源電壓和控制電壓，內部集成了電源、高級電容和實時時鐘。S7-200PLC 指令功能強大，有布爾、傳送、比較、移位、產生補碼、調用子程序、算數運算、數制轉換、字邏輯運算等指令，可以采用主程序、中斷程序和最多八級子程序結構，可使用1～255 ms 定時中斷。程序中可以設置多級口令保護，監控定時器的定時時間為300 ms。S7-200PLC 還支持模擬量輸出、模擬量輸入、數字量輸出、數字量輸入、測溫模塊、通信模塊的擴展功能，為CPU 增加大量的附加功能。

2.2 溫度傳感器

溫度數據采集是整個溫度監測系統的核心，溫度數據的可靠性直接關系到整個礦用低壓配電柜溫度監測系統的安全性。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換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，溫度的采集范圍可以在-50～+150℃，絕緣電阻在20℃時大于100 MΩ，時，精度最小達到0.15℃，供電電源為+7.5～30 V，功耗小于0.1 W。利用Pt100 電阻測溫時，傳感器內部電路將溫度變化△T 引起的阻值變化△R 轉換為電壓變化△V，再通過433 MHz 無線通訊技術傳遞給PLC 上進行數據計算[9]。

2.3 433MHz無線模塊

433 MHz 無線通訊技術采用是基于瑞士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、抗干擾能力強及功率密度比較集中等優點，同時模塊支持ASK、GFSK 等多種調制解調方式，工作頻段為425～450 MHz，可采用多電平供電方式（2.1～5.5 V），最大數據傳輸速度達70 kbps，同時具有數據的壓縮和加密功能[10]。

2.4 通訊單元

PLC 具有強大的網絡連接功能，可以方便的聯入計算機、人機接口設備及其他處理器。S7-200 型PLC 通訊接口為RS-485 信號接口，利用PC/PPI 電纜與計算機實現網絡連接。通訊模式具有點對點通訊和自由通訊2 種，點對點通訊用于實現PLC 與編程器等產品之間通訊，自由通訊用戶可以自己定義通訊協議。點對點通訊只能應用在停止方式下，而自由通訊可以應用在運行方式下。