SF6氣體密度在線微機(jī)測量系統(tǒng)

　　1 引言

　　SF6氣體是一種無毒、無色、無味，化學(xué)性能極穩(wěn)定的物質(zhì)，具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能。目前，SF6氣體廣泛應(yīng)用于電力企業(yè)的電氣設(shè)備中，如SF6斷路器、SF6高壓組合電氣設(shè)備(GIS)等。在電力企業(yè)含SF6氣體設(shè)備的使用中，SF6氣體如產(chǎn)生泄漏，將直接影響電氣沒備的絕緣性能，甚至發(fā)生重大事故。同時(shí)，泄漏的SF6氣體由于被電弧分解或與空氣中的一些成分發(fā)生反應(yīng)，生成有毒的氣體，將會(huì)對工作人員產(chǎn)生巨大危害。因此，對這些設(shè)備中SF6氣體密度的監(jiān)測至關(guān)重要，SF6氣體的密度是電力企業(yè)安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一。

　　傳統(tǒng)的監(jiān)測手段是通過機(jī)械式指針儀表來測量設(shè)備中SF6氣體的密度。雖然也有報(bào)警輸出，但測量數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)傳，不利于組成在線監(jiān)測系統(tǒng)，給安全生產(chǎn)帶來隱患。同時(shí)，由于電氣設(shè)備安裝的限制，很多測點(diǎn)位于很難直接觀測到的位置，給日常的測量和記錄帶來很大麻煩。

　　本文提出的SF6氣體密度微機(jī)測量系統(tǒng)是一種在線SF6氣體多參數(shù)采集系統(tǒng)，它具有自動(dòng)快速地進(jìn)行氣體壓力數(shù)據(jù)采集、溫度補(bǔ)償、精確計(jì)算氣體密度等處理功能，從而實(shí)現(xiàn)電廠在生產(chǎn)過程中對SF6氣體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及歷史數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到最佳的管理效果。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由密度變送器、微機(jī)測量系統(tǒng)兩部分組成。其中微機(jī)測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集站和客戶端兩部分?？蛻舳嗽O(shè)在調(diào)度室，采用臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集站設(shè)在含SF6氣體設(shè)備的工作室內(nèi)，由下位機(jī)和上位機(jī)組成，采用臺灣研華(ADVANTECH)公司的IP-PC平板電腦Industrial Panel PC系列作為上位機(jī)，以西門子(SIEMENS)PLC(可編程控制器)作為下位機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　　通過以上的集散式采集方式，使系統(tǒng)具有開放式的結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場的測量點(diǎn)數(shù)，組合成各種規(guī)模的測量系統(tǒng)。

　　3 密度變送器

　　SF6氣體狀態(tài)參數(shù)計(jì)算可用Beattie-Bridgman公式表達(dá)

　　式中：p為壓力(Pa);γ為氣體密度(kg/m3);T為氣體熱力學(xué)溫度(K)。

　　根據(jù)式(1)，當(dāng)氣體密度γ不同時(shí)，可得到SF6氣體壓力與溫度按不同的斜率成線性變化的關(guān)系，SF6氣體壓力-溫度成一組狀態(tài)參數(shù)據(jù)曲線簇，如圖2。

　　密度變送器的敏感元件采用溫度、壓力復(fù)合傳感器芯片。復(fù)合傳感器是通過一系列特殊的工藝，在一個(gè)硅片上集成壓力傳感器和溫度傳感器。可以感受設(shè)備內(nèi)部同一點(diǎn)SF6氣體的壓力和溫度。這樣，通過式(1)，可計(jì)算出SF6氣體的密度。

　　密度變送器的電路部分采用微處理器智能處理技術(shù)，單片機(jī)采用C8051F023微處理器芯片。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，功能完善，設(shè)計(jì)靈活。壓力和溫度信號通過輸入信號處理電路接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD7705。AD7705是利用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無丟失代碼的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集后，計(jì)算出SF6氣體的密度，通過D/A輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號給微機(jī)測量系統(tǒng)。

　　密度變送器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也很重要。如果傳感器密封不好，或傳感器與高壓設(shè)備的連接設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致SF6氣體泄漏，將會(huì)給安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。因此，在設(shè)計(jì)中采取了以下多項(xiàng)措施，保證變送器密封：

　　①密度變送器的安裝位置與指針密度表的安裝位置相同，串聯(lián)連接，截止閥控制，如圖3所示。

　?、趥鞲衅鞑捎萌附咏Y(jié)構(gòu)，傳感器本體的隔離膜片和TO座及本體與連接件之間氬弧焊接。承受壓力7 MPa(70個(gè)大氣壓)以上，超過設(shè)計(jì)壓力(0.7 MPa)10倍，徹底解決可能出現(xiàn)的泄漏問題。

　　③密度變送器安裝前要經(jīng)過打壓試驗(yàn)，安裝后，還要用便攜式檢漏儀檢漏，以確保變送器密封。

　　4 微機(jī)測量系統(tǒng)

　　測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集站和客戶端兩部分。

　　4.1 數(shù)據(jù)采集站

　　數(shù)據(jù)采集站分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。

　　下位機(jī)采用西門子(SIEMENS)PLC(可編程控制器)S7-300系列，完成對密度變送器信號的采集。在一個(gè)SF6設(shè)備工作室內(nèi)，可根據(jù)測量點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)PLC采集模塊的規(guī)模。各不同的SF6設(shè)備工作室也可以由一條PROFIBUS電纜組成下位機(jī)系統(tǒng)。S7-300的CPU模塊把采集到所有密度數(shù)據(jù)通過工業(yè)通訊網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

　　上位機(jī)采用研華(ADVANTECH)公司的Industrial Panel PC平板電腦。IPPC平板電腦采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，LCD采用鋼化玻璃保護(hù)，符合NE-MA4/IP65標(biāo)準(zhǔn)。使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)得到可靠的防護(hù)。Soket370結(jié)構(gòu)CPU使IPPC工業(yè)電腦的硬件結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、可靠。采用15英寸(380 mm)XGATFT LCD顯示屏，使操作更具人性化。分辨率為1024×768，色深256 k。CPU為P42.4G，PCM-957181CPU板;操作系統(tǒng)采用WINDOWS2000。完成所有數(shù)據(jù)的采集并實(shí)時(shí)顯示，在畫面上為實(shí)時(shí)狀態(tài)圖和實(shí)時(shí)參數(shù)表分別顯示，同時(shí)完成實(shí)時(shí)報(bào)警、趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)存貯等功能。

　　4.2 客戶端

　　很多SF6設(shè)備工作室為無人值守，為了能使測量數(shù)據(jù)及時(shí)地顯示給工作人員，數(shù)據(jù)采集站的上位機(jī)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)接口，與調(diào)度室的客戶端計(jì)算機(jī)組成點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。這樣，一旦有報(bào)警發(fā)生，調(diào)度室的工作人員第一時(shí)間就能從彈出的實(shí)時(shí)報(bào)警窗口中了解到故障出現(xiàn)的具體位置。

　　客戶端為臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。硬件組成與現(xiàn)場計(jì)算機(jī)相同，配接打印機(jī)，完成與數(shù)據(jù)采集站的通信，同時(shí)在調(diào)度室完成所有現(xiàn)場計(jì)算機(jī)具有的顯示功能，并具有網(wǎng)絡(luò)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、報(bào)表打印功能。

　　同時(shí)，可以通過客戶端的計(jì)算機(jī)，使測量數(shù)據(jù)、顯示頁面上傳到企業(yè)的局域網(wǎng)。這樣，企業(yè)的相關(guān)管理部門也可能通過網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)地了解SF6設(shè)備工作室各測點(diǎn)SF6氣體的密度。

　　5 軟 件

　　采集站和客戶端采用同一種組態(tài)軟件，軟件底層采用MICROSOFT公司W(wǎng)INDOWS2000操作系統(tǒng)。組態(tài)軟件采用北京亞控公司的工業(yè)組態(tài)軟件——組態(tài)王6.5進(jìn)行編程。界面包括登錄、實(shí)時(shí)狀態(tài)圖、實(shí)時(shí)參數(shù)表、報(bào)警窗口(實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口)、歷史曲線、報(bào)表打印等。

　　本系統(tǒng)已在國內(nèi)某大型電力企業(yè)中實(shí)際應(yīng)用，測量點(diǎn)數(shù)超過了200點(diǎn)，于2004年9月投入運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)一直運(yùn)行安全、無泄漏發(fā)生、測量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠，軟件界面友好、工作穩(wěn)定、使SF6氣體的監(jiān)測有了實(shí)時(shí)性和可靠性保證，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和工作效率。使用中成功地對某氣室中SF6氣體的密度過低進(jìn)行了報(bào)警，給生產(chǎn)管理提供了安全保證。目前，已成為該企業(yè)控制生產(chǎn)運(yùn)行的安全性所必不可少的系統(tǒng)之一。