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  • 頭條用PLC設(shè)計(jì)的溫度在線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng),用于監(jiān)測(cè)電纜中間接頭的溫度
    2021-09-29 作者:阮浩潔 姚延軍  |  來(lái)源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)作者探討了一種基于PLC的10kV電纜中間接頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了利用預(yù)埋傳感器位置溫度來(lái)判定當(dāng)前電纜中間接頭的暫態(tài)溫度。

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

    同時(shí),由于在輸電線(xiàn)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(qiáng)度損壞等問(wèn)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(shí)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(dāng)前的技術(shù)條件之下,我們還無(wú)法避免電纜接頭的發(fā)熱問(wèn)題,只能夠針對(duì)這一現(xiàn)象研發(fā)電纜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),從而及時(shí)的發(fā)現(xiàn)溫度異常現(xiàn)象,并且有針對(duì)性的采取相應(yīng)的措施,將危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)。因此,從這個(gè)角度來(lái)看,對(duì)10KV電纜中間接頭溫度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

    電纜中間接頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

    1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    針對(duì)電纜中間接頭的溫度過(guò)熱現(xiàn)象的物理特征,文章擬采取以溫度檢測(cè)為主要檢測(cè)手段,同時(shí)輔以煙霧檢測(cè)作為溫度檢測(cè)失靈條件下的補(bǔ)救措施,并且整合電話(huà)報(bào)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(guò)程中受損,導(dǎo)致無(wú)法向上位機(jī)傳輸信號(hào),本文設(shè)計(jì)的是多主機(jī)系統(tǒng),即每一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的都是一個(gè)主機(jī),主機(jī)之間可以相互通信,并且通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)向上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    用PLC設(shè)計(jì)的溫度在線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng),用于監(jiān)測(cè)電纜中間接頭的溫度

    圖1 基于單片機(jī)的多主機(jī)通信系統(tǒng)方案

    如圖1所示,基于RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)多主機(jī)通信系統(tǒng)的各個(gè)傳感器終端都是主機(jī),在通常狀態(tài)之下都處于信息接收狀態(tài),只有在某個(gè)終端需要向上位機(jī)以及其他主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候,才轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài),向RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

    這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)在于改變了過(guò)去的主機(jī)輪流循環(huán)詢(xún)問(wèn)各個(gè)從機(jī)的操作流程,各個(gè)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(gè)主機(jī)的負(fù)荷,提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在終端設(shè)備需要報(bào)警的時(shí)候,能夠及時(shí)的報(bào)警,并產(chǎn)生其他的一系列的連鎖動(dòng)作。但是,在該方案之下,需要解決一個(gè)重要的問(wèn)題就是通信協(xié)議的解決問(wèn)題。

    2 硬件選型

    本方案的關(guān)鍵硬件為PLC,文章選擇西門(mén)子PLC SP300以及三菱PLC FX2N。上位機(jī)采用的是西門(mén)子PLC SP300,西門(mén)子PLC SP300用于對(duì)過(guò)程處理能力和響應(yīng)時(shí)間要求很高的應(yīng)用。

    通過(guò)其工作存儲(chǔ)器,該P(yáng)LC也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。該P(yáng)LC的微處理器每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約100ns,每條浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)行指令約3μs,具有96 KB 高速 RAM(相當(dāng)于大約 32 K 的指令)用于執(zhí)行相關(guān)的程序部分,為用戶(hù)程序提供充分的空間;微存儲(chǔ)卡(最大8 MB)作為程序的裝載存儲(chǔ)器,也允許在 CPU 中保存項(xiàng)目;擁有多達(dá)4排結(jié)構(gòu)的32個(gè)模塊;內(nèi)置 MPI 接口可以最多同時(shí)建立 12 個(gè)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(gè)連接。通過(guò)“全局?jǐn)?shù)據(jù)通信”,MPI可以用來(lái)建立最多16個(gè)CPU組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)設(shè)備終端主機(jī)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(diǎn),編程簡(jiǎn)單,除輸入出16-25點(diǎn)的獨(dú)立用途外,還可以適用于在多個(gè)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(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊,可進(jìn)行16-256點(diǎn)的靈活輸入輸出組合。可選用16/32/48/64/80/128點(diǎn)的主機(jī),可以采用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)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P(yáng)LC組合能夠完全滿(mǎn)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(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)公司生產(chǎn)的單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器,具有低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)以及適配性好等特點(diǎn),在多點(diǎn)溫度測(cè)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(hào),從而供PLC處理。

    除此之外,在每一個(gè)傳感器之上都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào),并且能夠存儲(chǔ)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(shí)候,在但線(xiàn)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(jì)較為科學(xué)合理,從其中讀取或者寫(xiě)入信息都只需要一根口線(xiàn),其讀取溫度或者變換頻率都來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn),而且總線(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(jì)

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

    該通信是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)RS485實(shí)現(xiàn)的。而各個(gè)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(gè)CP340串口通信模塊,運(yùn)用主站廣播模式,向各個(gè)設(shè)備終端發(fā)布查詢(xún)命令通信程序包括了信息的發(fā)送、接受、驗(yàn)證以及校驗(yàn)計(jì)算等幾個(gè)部分,其基本結(jié)構(gòu)如表1所示。

    用PLC設(shè)計(jì)的溫度在線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng),用于監(jiān)測(cè)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(jì)的方案包括了兩個(gè)PLC,因此進(jìn)行通信模塊的設(shè)置時(shí)也要在兩個(gè)通信模塊分別進(jìn)行設(shè)置。

    首先,在西門(mén)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(rèn)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(diǎn)之中。

    完成西門(mén)子PLC的通信模塊設(shè)置之后,繼續(xù)對(duì)三菱PLC FX2N進(jìn)行設(shè)置,由于三菱PLC FX2N的通信接口型號(hào)為FX2N-485-BD,該通信模塊實(shí)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(jī)自帶的通信手冊(cè)采用無(wú)協(xié)議通信方式,利用MODBUS通信協(xié)議原理自行設(shè)計(jì)具體的通信規(guī)則。

    結(jié)論

    對(duì)電力電纜的中間接頭溫度進(jìn)行實(shí)施檢測(cè),不僅僅能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電纜接頭部分局部過(guò)熱問(wèn)題,及早處理安全隱患,同時(shí)也能夠?yàn)殡娏﹄娎|的符合調(diào)控或者動(dòng)態(tài)增容提供依據(jù)。基于單片機(jī)的10KV電纜中間接頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有低成本、高便捷性的特點(diǎn)。

    但是,現(xiàn)有的單片機(jī)通信系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中存在較多的缺點(diǎn),關(guān)鍵是在于其主站/從站的通信模式,使得各個(gè)設(shè)備終端之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接通信,而設(shè)備終端與上位機(jī)之間的通信也只能夠完全遵循主機(jī)輪流循環(huán)詢(xún)問(wèn)各個(gè)從機(jī)的操作流程,使得主機(jī)的負(fù)荷較高,處理效率得不到保障,一旦出現(xiàn)溫度異常無(wú)法及時(shí)報(bào)警處理。

    本文研究了一種基于RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以及串口通信的多主機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在上位機(jī)與各個(gè)溫度、煙霧傳感器之間通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信,提升了通信效率,而各個(gè)設(shè)備終端之間則通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)相互之間的直接通信,進(jìn)一步降低了上位機(jī)的工作負(fù)荷,同時(shí)也確保了通信的實(shí)時(shí)性,在功能性和效率性方面都得到了有效的保障,能夠及時(shí)的偵測(cè)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(biāo)題為“10kV電纜中間接頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)”,作者為阮浩潔、姚延軍。

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