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  • 頭條用PLC設(shè)計的溫度在線報警系統(tǒng),用于監(jiān)測電纜中間接頭的溫度
    2021-09-29 作者:阮浩潔 姚延軍  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語作者探討了一種基于PLC的10kV電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測報警系統(tǒng)的構(gòu)建,實現(xiàn)了利用預(yù)埋傳感器位置溫度來判定當前電纜中間接頭的暫態(tài)溫度。

    由于輸電線路本身存在一定的電流抗阻,在電流通過的時候,不可避免的會由于電能轉(zhuǎn)換為熱能而導(dǎo)致輸電線路產(chǎn)生一定的熱量。如果熱量過高,則很有可能導(dǎo)致輸電線路由于過熱而損壞。

    同時,由于在輸電線路之中存在大量的電纜接頭,由于存在電纜頭接觸不良、壓接頭不緊、絕緣強度損壞等問題都可能導(dǎo)致溫度的異常升高。因此,電纜接頭相較于電纜的其他部位更容易損壞,不僅僅可能導(dǎo)致電纜損毀,同時還必然導(dǎo)致大面積的停電,甚至可能引發(fā)火災(zāi)事故。

    然而,在當前的技術(shù)條件之下,我們還無法避免電纜接頭的發(fā)熱問題,只能夠針對這一現(xiàn)象研發(fā)電纜溫度實時監(jiān)控系統(tǒng),從而及時的發(fā)現(xiàn)溫度異常現(xiàn)象,并且有針對性的采取相應(yīng)的措施,將危險消滅在萌芽狀態(tài)。因此,從這個角度來看,對10KV電纜中間接頭溫度的在線監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

    電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測報警系統(tǒng)的方案設(shè)計

    1 系統(tǒng)方案設(shè)計

    針對電纜中間接頭的溫度過熱現(xiàn)象的物理特征,文章擬采取以溫度檢測為主要檢測手段,同時輔以煙霧檢測作為溫度檢測失靈條件下的補救措施,并且整合電話報警系統(tǒng)。

    除此之外,為了防止傳感器由于電纜接頭爆燃或者炸裂過程中受損,導(dǎo)致無法向上位機傳輸信號,本文設(shè)計的是多主機系統(tǒng),即每一個傳感器對應(yīng)的都是一個主機,主機之間可以相互通信,并且通過RS485現(xiàn)場總線向上位機系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

    用PLC設(shè)計的溫度在線報警系統(tǒng),用于監(jiān)測電纜中間接頭的溫度

    圖1 基于單片機的多主機通信系統(tǒng)方案

    如圖1所示,基于RS485現(xiàn)場總線實現(xiàn)的單片機多主機通信系統(tǒng)的各個傳感器終端都是主機,在通常狀態(tài)之下都處于信息接收狀態(tài),只有在某個終端需要向上位機以及其他主機發(fā)送數(shù)據(jù)的時候,才轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài),向RS485現(xiàn)場總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

    這種系統(tǒng)設(shè)計方案的優(yōu)勢在于改變了過去的主機輪流循環(huán)詢問各個從機的操作流程,各個終端設(shè)備之間的通信變成了按需發(fā)布信息或者接收信息,從而減少了單個主機的負荷,提升了系統(tǒng)的實時性。在終端設(shè)備需要報警的時候,能夠及時的報警,并產(chǎn)生其他的一系列的連鎖動作。但是,在該方案之下,需要解決一個重要的問題就是通信協(xié)議的解決問題。

    2 硬件選型

    本方案的關(guān)鍵硬件為PLC,文章選擇西門子PLC SP300以及三菱PLC FX2N。上位機采用的是西門子PLC SP300,西門子PLC SP300用于對過程處理能力和響應(yīng)時間要求很高的應(yīng)用。

    通過其工作存儲器,該PLC也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。該PLC的微處理器每條二進制指令執(zhí)行時間約100ns,每條浮點數(shù)運行指令約3μs,具有96 KB 高速 RAM(相當于大約 32 K 的指令)用于執(zhí)行相關(guān)的程序部分,為用戶程序提供充分的空間;微存儲卡(最大8 MB)作為程序的裝載存儲器,也允許在 CPU 中保存項目;擁有多達4排結(jié)構(gòu)的32個模塊;內(nèi)置 MPI 接口可以最多同時建立 12 個與 S7-300/400 或與 PG、PC、OP 的連接。

    在這些連接中,始終分別為 PG 和 OP 各保留一個連接。通過“全局數(shù)據(jù)通信”,MPI可以用來建立最多16個CPU組成的簡單網(wǎng)絡(luò)。各個設(shè)備終端主機采取用的是三菱PLC FX2N,其具有小型化、高速度以及高性能等特點,編程簡單,除輸入出16-25點的獨立用途外,還可以適用于在多個基本組件間的連接,模擬控制,定位控制等。

    在基本單元上連接擴展單元或擴展模塊,可進行16-256點的靈活輸入輸出組合。可選用16/32/48/64/80/128點的主機,可以采用最小8點的擴展模塊進行擴展。除此之外,還可根據(jù)電源及輸出形式,自由選擇程序容量。因此,該PLC組合能夠完全滿足系統(tǒng)功能的需求。

    溫度傳感器選用的是DS1820傳感器,該傳感器是美國達拉斯(DALLAS)公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器,具有低功耗、高性能、抗干擾能力強以及適配性好等特點,在多點溫度測控系統(tǒng)之中應(yīng)用較為廣泛,能夠直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號,從而供PLC處理。

    除此之外,在每一個傳感器之上都有唯一的產(chǎn)品序列號,并且能夠存儲在其Rom之中,這就使得在構(gòu)成大型溫度監(jiān)控系統(tǒng)的時候,在但線上掛接任意多的傳感器都是可行的。

    由于DS1820傳感器自身的設(shè)計較為科學(xué)合理,從其中讀取或者寫入信息都只需要一根口線,其讀取溫度或者變換頻率都來源于數(shù)據(jù)總線,而且總線本身還兼有給芯片供電的功能,不需要額外的電源,因此能夠有效的減少布線的難度和工作量,而且該芯片能夠提供9位數(shù)的溫度讀數(shù),不需要任何的其他外圍硬件的檢測就能夠方便的構(gòu)成溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

    通信方案的設(shè)計

    本方案的通信是基于西門子PLC以及三菱PLC自身的通信模塊,依據(jù)MODBUS協(xié)議,通過主站/主站的模式進行數(shù)據(jù)通信。

    該通信是通過現(xiàn)場總線RS485實現(xiàn)的。而各個設(shè)備終端主站之間的通信則是利用三菱PLC FX2N的串口通信模塊,并且在PLC之上增加一個CP340串口通信模塊,運用主站廣播模式,向各個設(shè)備終端發(fā)布查詢命令通信程序包括了信息的發(fā)送、接受、驗證以及校驗計算等幾個部分,其基本結(jié)構(gòu)如表1所示。

    用PLC設(shè)計的溫度在線報警系統(tǒng),用于監(jiān)測電纜中間接頭的溫度

    表1 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    設(shè)計的方案包括了兩個PLC,因此進行通信模塊的設(shè)置時也要在兩個通信模塊分別進行設(shè)置。

    首先,在西門子PLC S7-300中,設(shè)置工作模式為RS485,然后將串口設(shè)置為9600.8.1.None,將通信模式選擇為雙工通信,其余設(shè)置采用默認設(shè)置,完成組態(tài)編輯之后,保存設(shè)置,并將其下載到PLC站點之中。

    完成西門子PLC的通信模塊設(shè)置之后,繼續(xù)對三菱PLC FX2N進行設(shè)置,由于三菱PLC FX2N的通信接口型號為FX2N-485-BD,該通信模塊實際上采用的是雙芯屏蔽電纜,屏蔽層接入SG,電纜的雙芯分別接入的是SDA以及SDB。可以依據(jù)三菱PLC FX2N隨機自帶的通信手冊采用無協(xié)議通信方式,利用MODBUS通信協(xié)議原理自行設(shè)計具體的通信規(guī)則。

    結(jié)論

    對電力電纜的中間接頭溫度進行實施檢測,不僅僅能夠及時的發(fā)現(xiàn)電纜接頭部分局部過熱問題,及早處理安全隱患,同時也能夠為電力電纜的符合調(diào)控或者動態(tài)增容提供依據(jù)。基于單片機的10KV電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測報警系統(tǒng)具有低成本、高便捷性的特點。

    但是,現(xiàn)有的單片機通信系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中存在較多的缺點,關(guān)鍵是在于其主站/從站的通信模式,使得各個設(shè)備終端之間無法實現(xiàn)直接通信,而設(shè)備終端與上位機之間的通信也只能夠完全遵循主機輪流循環(huán)詢問各個從機的操作流程,使得主機的負荷較高,處理效率得不到保障,一旦出現(xiàn)溫度異常無法及時報警處理。

    本文研究了一種基于RS485現(xiàn)場總線以及串口通信的多主機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在上位機與各個溫度、煙霧傳感器之間通過RS485現(xiàn)場總線進行通信,提升了通信效率,而各個設(shè)備終端之間則通過串口通信實現(xiàn)相互之間的直接通信,進一步降低了上位機的工作負荷,同時也確保了通信的實時性,在功能性和效率性方面都得到了有效的保障,能夠及時的偵測電纜中間接頭溫度異常現(xiàn)象,因此具有很好的發(fā)展前景。

    本文編自《電氣技術(shù)》,標題為“10kV電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測報警系統(tǒng)”,作者為阮浩潔、姚延軍。

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