無線測溫系統在鉛鋅冶煉電力設備上的應用

段正華,彭俊超,徐安江

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南曲靖 655000)

1 鉛鋅冶煉工業電氣裝置需求分析

鉛鋅冶煉工業是個龐大復雜的工業生產系統,大量使用中低壓開關柜、高壓電動機、發電機等電氣設備。對自動化程度和連續生產的高要求,不僅對其供電可靠性越來越高,而且對冶煉工業系統內關鍵的配電及高壓電動機設備的穩定可靠性也提出了更高的要求。電氣設備在長期運行過程中,電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發熱,進而導致接頭異常升溫甚至引發燃爆事故[1]。變電站或配電室內開關柜等電氣設備安裝密集,電動機也都是各工藝段的關鍵設備,故此類事故可能會導致大量電氣設備損壞,并引發下游大范圍供電線路或重要用電設備突然停電,造成巨大的直接和間接經濟損失。

近年來,傳感器及物聯網,設備的在線監測,及大數據分析等技術的快速發展,結合鉛鋅冶煉工業的特點及需求,新技術的研究與應用對解決此類問題提供了新的解決方案。

2 關鍵新技術的選用

針對上述提出的問題,結合溫度傳感器、Zigbee無線傳輸、云應用及大數據分析技術現狀,本文提出了多種新技術的解決方案并結合實際案例進行應用。

2.1 溫度測量技術的選用

傳統的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫,溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線傳輸溫度信號。電氣設備測溫檢測,由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點/觸點上,其信號傳輸金屬導線的絕緣性能無法保證。同時,對于改造類項目實施難度較大,因此推薦采用無線測溫方法進行檢測。目前無線測溫方法包括感應供電無線測溫、CT 取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發熱點,塵土震動對其影響較大;有源無源測溫較合適,無需布線,易于安裝,但有源測溫需要外供電池,受電池壽命影響,需要更換;CT 取電測溫安裝相對復雜,受自身發熱影響,誤動作概率明顯高于前者;表1 詳細比較了各種無線測溫方法的性能。

綜上,類比不同形式的無線測溫方式,感應供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長、故障率低等特點。

2.2 無線傳輸技術選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式,其中應用較為廣泛及具有較好發展前景的短距離無線通信方式包括:Zigbee 技術、藍牙技術(Bluetooth)、工業無線技術(WiFi)、超寬帶技術(UWB)、近場通信技術(NFC)。

表1 無線測溫技術性能比較

藍牙技術(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術,傳輸距離在10 m 范圍以內,最高傳輸速率約1 Mb/s,其有效速率約為723 kb/s;超寬帶技術(UWB)傳輸速率一般結余53～480 Mb/s 傳輸距離小于40 m;近場通信技術(NFC)適用于近距離貼近操作。Zigbee 技術的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較近;設備功耗極低,發射輸出僅為為0～3.6 dBm;通信組網簡潔。這些主要特征使Zigbee通信技術傳輸數據穩定可靠,同時輸出的數據容量也比較大。表2 給出了幾種技術性能比較。

表2 無線傳輸技術性能比較

Zigbee 通信協議的制定是由IEEE802.15.4 團隊和Zigbee 聯盟共同完成。該通信技術的PHY 層和MAC 層執行IEEE802.15.4 的標準協議,網絡層的制定由Zigbee 聯盟完成,應用層比較開放,允許用戶按照不同的需求,自主進行開發。

Zigbee 通信工作頻段共包含3 個,本項目采用的無源測溫傳感器采用2.4 GHz 頻段,該頻段的數據傳輸速率最大為250 kbps,其分為16 個信道,目前為全球通用,且免申請無需付費。為了最大化降低無線電載波通信間的相互沖突,選用CSMA-CA方式(免沖突多載波信道接入技術);為了保證通信數據的安全,選用密鑰長度為128 位的加密算法對數據進行加密。

Zigbee 組網拓撲結構支持2 種方式:星型結構和網格對等結構[2]。本項目采用混合型網絡拓撲結構,將2 種拓撲結構結合使用,形成簇樹狀網絡結構。簇樹狀網絡結構如圖1 所示。

一般簇樹狀網絡分配網絡地址方案為分布式地址分配,具體為每一個父設備分配一個有限的網絡地址段,并且被分配的地址在特定網絡中是唯一的。針對網絡中設定好深度的節點,由父設備分配的自區段地址數為Cskip(d),計算公式為:

式中d—該設備在樹狀拓撲中的網絡深度;

Cm—由父設備管理的子設備數量的最大值;

LM—簇樹網絡設計最大深度;

圖1 Zigbee 簇樹狀網絡結構

Rm—路由器被父設備作為子設備的最大數。

由公式計算出的Cskip(d)值,為父設備向子設備分配網絡地址時的偏移值。父設備首先給網絡拓撲中的第一個子簇頭設備分配地址,規則為比父設備自身地址增1,后續的子簇頭設備的地址,按照以Cskip(d)為間隔規則繼續分配,按照這個原則為拓撲結構中所有子簇頭分配地址。

2.3 移動互聯網與云技術選用

傳統的系統監控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA 系統應用為主,并在控制室內由操作員及工程師使用。隨著移動互聯網及智能手機的發展和應用,通過傳感器監測到的關鍵設備的各種實時數據也可以通過無線網絡傳輸到遠方云服務器,特別是對于區域廣,布線困難的區段,數據的獲取將會變得更加方便和容易。傳輸到云服務器上的數據比起傳統專門的服務器存儲,成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。通過無線網絡傳輸到云服務器的數據,可以通過智能手機的APP 顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實現。根據不同用戶的需求和設備使用情況,可以對存儲的數據按照既定算法進行數據分析,及早通過數據對比發現異常數據,并給予用戶提示或者告警信息,減少及降低設備故障甚至事故的發生。

3 應用方案綜述

云南馳宏會澤的鉛鋅冶煉廠目前每年生產約10 萬噸鋅和6 萬噸鉛,廠區內包含中低壓配電室50多個,并使用50 個以上的高壓電動機,需要將廠區內的關鍵開關柜及高壓電動機進行智能測溫改造。經過技術對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zig-Bee”溫度監測系統,準確的采集關鍵設備及設備關鍵部位的溫度信號[3],并通過智能網關,接入會澤冶煉分公司既有的光纖通訊網絡,實現網絡及數據共享,通過控制中心的無線測溫監測系統,實現溫度信號的實時監測,超溫部位及設備精準定位,超溫報警,保證關鍵設備壽命及生產連續性,減少及避免潛在事故的風險。并且,依靠云服務的“千里眼”系統,實現了測溫信號的移動運維,不僅可以通過智能手機實時監控到關鍵設備的溫度,并能在超溫時自動發出報警信號,及時推送到具體負責人員的智能手機終端,實現高效的問題處理,極大的降低配電裝置及電氣設備事故風險,保證供電可靠性,生產連續性及安全生產。應用方案的基本架構如圖2 所示。

圖2 智能測溫系統架構

3.1 無線無源測溫:“溫度傳感器+ZigBee”

經過技術對比,選定Easergy TH110 溫度傳感器[4]。其主要性能參數如表3 所示。

表3 Easergy TH110 溫度傳感器參數表

Easergy TH110 自供電基于網絡電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監測。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調試及后期維護。

TH110 采用ZigBee 節能型通信協議,Easergy TH110 確保有可靠和強大的通信能力,可以用來創建共享的操作解決方案。Easergy TH110 自供電基于網絡電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監測。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調試及后期維護。TH110 的圖片及在項目應用中的場景如圖3 所示。

圖3 TH110 外觀及應用于開關柜及高壓電動機

比較重要的工藝段相關配電室開關柜及高壓電動機都安裝了TH110 的溫度傳感器,包括粉煤制備、艾薩爐電收塵、鉛熔煉循環水泵房煙化爐收塵、熔化爐、余熱發電站(西)、鉛渣過濾干燥、10 kV 鉛鼓風機房等區間。

3.2 測溫系統網絡架構

由于測溫傳感器分布區域廣,數量多,測溫系統架構采用以太網作為主要架構,并利用既有的視頻監控系統網絡,節省成本并極大地降低了施工難度。

(1)現場的各TH110 溫度傳感器通過Zigbee 協議無線傳輸到溫度接收裝置。

(2)溫度接收裝置通過Modbus RTU 通信協議將溫度信號傳輸到各個現場的網關。

(3)網關將協議裝換為Modbus TCP 規約,并經現場的以太網交換機,通過光纖通道傳輸到控制中心的工作站中。

(4)千里眼服務器也接入通信網絡,將各TH110 的測溫數據上傳到云平臺,以供智能手機的千里眼APP 使用。以焙燒爐硫酸子系統網絡架構如圖4 所示。

3.3 測溫監測SCADA

測溫監測SCADA 系統選用施耐德EcoStruxure SCADA 軟件,其后臺監測工作站放于會冶控制中心內。監測工作站HMI 界面設計采用簡潔原則設計,按照電力一次系統結構規劃整體HMI 界面。所有區間測溫傳感器的歷史數據都可以通過SCADA 系統顯示出來,便于用戶與實時溫度數據相比較。當傳感器測溫數據高于設定的報警值,SCADA 系統會發出報警指示給操作員,并可以定位到具體的設備及安裝部位,方便工程師去現場進行查看及風險評估,消除潛在故障的風險。圖5 為傳感器記錄的溫度數據曲線。

3.4 云平臺“千里眼”系統

千里眼系統是物聯網IOT 技術的應用體現之一。圖6 為千里眼APP 應用截圖。IOT 由IT 信息技術和OT 運營技術深度融合,能夠極大的改造電力設備,實現過程和能源的優化。本項目中,通過千里眼的應用,將會冶廠區內各安裝TH110 溫度傳感器的開關柜及高壓電動機關鍵設備的溫度數據進行處理,為配電設備運行狀態監視、運行維護作業管理和設備資產管理提供“互聯網+”靈活應用方案。而且,千里眼可以提供報警管理,可以根據嚴重程度區分不同等級的報警,并通過短信通知用戶,讓用戶在第一時間獲取報警信息,并可以通過手機APP 確認和記錄報警事件,篩選和導出報警信息,形成專門的報告,預防事故及故障的發生[5]。除了智能手機端顯示溫度型號及提供報警之外,千里眼還可提供資產快查及工單派工的功能,提高用戶的運維效率及智能化程度。

圖4 焙燒爐硫酸子系統網絡架構

圖5 溫度歷史數據曲線

4 結語

圖6 千里眼APP 應用截圖

無線測溫系統在云南馳宏會澤鉛鋅冶煉廠的首次智能化測溫改造及應用,配套管理系統及千里眼APP 提供溫度異常告警、實時設備溫度采集、周期性溫度監測及報表、設備狀態評估等功能,能減少及避免重大因溫度導致故障的發生。系統運用效果良好,大量減少了運維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精準度。在項目執行過程中,因停電時間有限,改造工作復雜,仍有部分設備未能實現溫度實時監測,需要進一步優化測溫系統的施工方法,提高安裝效率。其次,隨著技術的發展和其它傳感器的應用,從不同角度獲得關鍵設備及系統的數據,更客觀地進行設備及系統監測,作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬物互聯等新技術的應用,會對運維人員的能力及習慣提出更高的要求,智能化系統需要進一步提高用戶的實際體驗,開發更多更貼近用戶的功能,比如資產管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應用。