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柏為為
安科瑞電氣股份有限公司 201801
摘要：采集關鍵電力設備接點的實時溫度，克服有線溫度監測系統存在的諸如線路多，布線復雜，維護困難，高壓隔離等方面的不足，將測溫傳感器與無線通信技術相結合，將物聯網技術及移動互聯網云端與電力自動化技術相結合，云邊協同，實現智能化無線測溫系統方案。無線測溫系統具有結構簡單可靠，擴展性好，布點靈活等特點,可以結合行業深層需求及其他技術，進一步在電廠推廣應用。
關鍵詞：無線測溫 無源無線傳感器 電氣接點測溫 測溫系統
1 鋼鐵工業電氣裝置需求分析
鋼鐵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,而且對鋼鐵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。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,結合鋼鐵工業的特點及需求,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、Sub-1G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電磁感應供電無線測溫、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;電磁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。表1詳細比較了各種無線測溫方法的性能。
表 1 無線測溫技術性能比較
紅外測溫 | 有源無線測溫 | 無源無線測溫 | |
供電方式 | 有線供電 | 電池供電 | 電磁取能 |
傳輸方式 | 有線傳輸 | 無線傳輸 | 無線傳輸 |
測溫方式 | 非接觸式 | 接觸式 | 接觸式 |
測溫精度 | ±2.0℃ | ±1.0℃ | ±1.0℃ |
響應速度 | 快 | 稍慢 | 快 |
尺寸大小 | 稍大 | 較小 | 小 |
安裝方式 | 固定柜壁 | 固定發熱點 | 固定發熱點 |
適用 | 柜內裸露部位測溫 | 母排、靜觸頭等 | 母排、靜觸頭等 |
影響因素 | 鏡頭需要調焦和對準發熱點, 物距比直接響精度,套管、柜壁 等阻擋其測量,振動、塵土影響其測量 | 受電池壽命和高溫特性制約,體積稍大,關鍵部位不能安裝,測量間隔長 | 母線電流大于5 A 時才能工作 |
安裝維護 | 需要對準發熱部位,需在開關柜上鉆孔,需要在布線連接,定 期除塵、對準 | 無需布線和破壞結構, 需要更換電池/傳感器 | 無需布線和破壞結構, 基本免維 |
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:Sub-1G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)。
藍牙技術(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術,傳輸距離10m范圍以內,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。Sub-1G技術的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較長;設備功耗極低,發射輸出僅為10dBm;通信組網簡潔。這些主要特征使Sub-1G 通信技術傳輸數據穩定可靠。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
名稱 | 傳輸速率 | 通信距離 | 頻段 | 安全性 | 功耗 | 應用場景 |
Bluetooth | 1 Mb / s | 10 m | 2. 4GHz | 高 | 20mA | 通信、汽車、IT |
WiFi | 11~54 Mb/s | 20~200 m | 2. 4GHz | 低 | 10~50mA | PC、PDA |
Sub-1G | 100 kb / s | 20~1000m | 315~920Mhz | 中 | 5~10mA | 無線傳感器 |
UWB | 53~480Mb/s | 0.2~40m | 3.1~10.6GHz | 高 | 10~50mA | 消防、救援 |
NFC | 424 kb/s | 20 m | 13. 6 GHz | 很高 | 10mA | 手機 |
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
項目針對鞍山鋼鐵6KV部分的總站和窯頭站的57面開關柜進行進行智能測溫改造，經過技術對比,使用無線無源溫度傳感器+溫度監測系統,準確的采集關鍵部位的溫度信號 ,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。并且測溫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。
3.1 無線無源測溫:溫度傳感器+Sub-1G
經過技術對比,選定 ATE400無源無線溫度傳感器應用于開關柜關鍵部位測溫。其主要性能參數如表3所示.
表3 ATE400溫度傳感器參數表
電源 | 電磁感應自取電 |
啟動電流 | 5A |
采集/發射周期 | 15S |
測溫范圍 | -50~+125℃ |
測溫精度 | ±1℃ |
通信頻段 | 470Mhz |
通信距離 | 150m空曠 |
尺寸 | 25.8mm*20.4mm*12.8mm |
ATE400無源無線溫度傳感器基于一次電流進行感應取電,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,ATE400非常小巧不占用空間,便于安裝調試及后期維護。 ATE400無線通信采用Sub-1G通信技術確保有可靠和強大的通信能力。ATE400的圖片及在項目應用中的場景如圖1所示。
圖1 ATE400傳感器外觀及現場高壓柜觸頭/電纜頭應用
3.2 無線測溫系統網絡架構
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。現場的各ATE400溫度傳感器通過無線傳輸到溫度接收裝置，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。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。測溫系統云服務器也接入通信網絡,將各ATE400的測溫數據上傳到云平臺,以供智能手機的APP使用。系統網絡架構如圖2所示。
圖2 測溫系統網絡架構圖
3.3無線測溫系統
無線測溫系統是物聯網IOT技術的應用體現之一，圖3為系統部分功能截圖。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,通過測溫系統應用,會將變配電站內安裝ATE400溫度傳感器的開柜溫度數據進行處理,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,測溫系統可以提供報警管理,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,讓用戶在短時間獲取報警信息,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。 除了智能手機端顯示溫度及提供報警之外,測溫系統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3 無線測溫系統溫度顯示、報表及曲線等界面
4 結語
無線測溫系統在鞍山鋼鐵的智能化測溫改造及應用,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。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。
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