劉偉爾（浙江省嵊州市三溪江水利電力管理處，浙江省　嵊州市　312400）

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一種基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)

劉偉爾（浙江省嵊州市三溪江水利電力管理處，浙江省嵊州市312400）

PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)主要用于水電站高壓配電室的復(fù)雜情況，使用這種監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時監(jiān)控到SF6與氧氣的濃度。本文對這種監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理以及該系統(tǒng)的硬件電氣設(shè)計進(jìn)行介紹，采用硬件設(shè)備的聯(lián)機(jī)調(diào)試對SF6以及其他氣體的濃度進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

SF6氣體；監(jiān)控系統(tǒng)；工作原理；程序設(shè)計

引言

SF6氣體在一般情況下具有無色、無毒以及不燃等特點(diǎn)，屬于惰性氣體，它的化學(xué)性質(zhì)相對比較穩(wěn)定，它的絕緣性能非常好，因此被普遍的使用在水電站或者發(fā)電站中。SF6在高溫環(huán)境中與氧氣、鋁等很多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如果在電弧的作用下會產(chǎn)生分解，生成SF4、SO2、F2等低氟化合物，這些化合物含有毒成分會危害人體健康，因此，在這種比較復(fù)雜的工作環(huán)境需要一種比較安全而且穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)對這些氣體時時進(jìn)行檢測濃度。已往采用的AT89S51單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)對這種比較復(fù)雜的環(huán)境不能發(fā)揮很好的抗干擾能力，不能安全穩(wěn)定的進(jìn)行長時間工作，也就滿足不了工作需要，而PLC的抗干擾能力要比AT89S51單片機(jī)強(qiáng)很多，因此西門子PLC控制的SF6監(jiān)控系統(tǒng)在復(fù)雜的工作環(huán)境就能發(fā)揮很好的效果。

1　系統(tǒng)組成原理以及功能

SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，工作原理是：SF6氣體傳感器對配電裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過A/D轉(zhuǎn)換器以后將數(shù)據(jù)傳送到PLC，然后PLC會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，同時采用對應(yīng)的處理程序。這種監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分有：濃度監(jiān)控報警器、SF6與O2傳感器、以及溫濕度變送器等。當(dāng)SF6氣體以及氧氣的濃度發(fā)生改變時，SF6傳感器就能傳達(dá)信號，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給PLC中，PLC經(jīng)過分析和計算對SF6氣體是否存在超標(biāo)做出判斷，如果超出范圍，系統(tǒng)就會發(fā)出語音警報。這種系統(tǒng)也可以通過溫濕度傳感器可以檢測空氣的溫度和濕度，如果室內(nèi)的濕度過大，系統(tǒng)會自動發(fā)送信號控制風(fēng)機(jī)的啟動和關(guān)閉，保證空氣中的溫度和濕度在一定范圍內(nèi)，以免由于濕度過大造成線路短路情況。

圖1　系統(tǒng)原理圖

2　系統(tǒng)主要元件選型

2.1PLC類型的選擇

目前我們經(jīng)常使用的是SMATICS7-200系列PLC以及S7-300系列PLC，能夠在各種環(huán)境中進(jìn)行檢測以及自動化控制，并發(fā)揮很好的效果。它們的優(yōu)勢是可靠性強(qiáng)、很好的抗干擾能力、操作靈活很容易掌握、內(nèi)置集成比較豐富、通訊能力非常好等特點(diǎn)。

正是因為這些優(yōu)點(diǎn)我們選擇西門子的S7-200系列PLC作為電氣控制系統(tǒng)的主機(jī)，在這個系列中又包含CPU221、CPU222、CPU224、CPU226以及CPU226XM等，由于監(jiān)控系統(tǒng)中需要大量數(shù)據(jù)的輸入和輸出以及數(shù)據(jù)模擬分析，因此最后確定選用西門子CPU226和擴(kuò)展模塊EM231，這樣可以達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。

2.2SF6氣體傳感器的選擇

SF6氣體傳感器主要是電化學(xué)氣體傳感器，它能夠在正常使用下使精度達(dá)到很高，小于等于1×10-8。如果水電站處于非常復(fù)雜的環(huán)境中，這種傳感器就滿足不了使用，穩(wěn)定性也非常差，因此，這時可以選擇德國Smart GAS制造的紅外SF6傳感器，這種傳感器是通過紅外吸收光譜進(jìn)行的測量，它比電化學(xué)傳感器更具有優(yōu)勢，它的雙波會比較長、可靠性非常高、與其他氣體不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、使用期限在十年左右、結(jié)構(gòu)更加簡單、功耗比較低、數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)輸出非?？臁?/p>

2.3溫濕度傳感器的選擇

高壓配電裝置在復(fù)雜環(huán)境中會受到空氣的溫度和濕度的影響，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來影響，因此，在監(jiān)測系統(tǒng)中使用了瑞士的一家科技公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器，類型有SHT10、SHT11 SHT15，其中我們使用的是SHT15芯片的溫濕度傳感器。這種芯片的傳感器主要優(yōu)勢是：芯片可以全程進(jìn)行標(biāo)定、可以同時進(jìn)行兩線數(shù)據(jù)輸出、測量濕度的范圍在0～100%RH之間且精度為±2.05%RH、濕度的測量范圍在-40～124.5℃之間且精度為±0.35℃。

3　電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計

依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能以及實(shí)際情況進(jìn)行分析，我們采用西門子的CPU226為核心的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)，模擬量的輸入需要多路，因此模擬量的擴(kuò)展模塊使用EM231，同時需要連接兩個高壓配電室的傳感器。

3.2I/O地址分配

依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和控制要求，可以對PLC控制的輸入和輸出地址進(jìn)行確定，如表1所示。

表1　PLC的輸入和輸出分配表

4　軟件設(shè)計

PLC在執(zhí)行程序過程中通過對逐行進(jìn)行掃描，系統(tǒng)按照規(guī)定的順序進(jìn)行工作。程序初始化的順序為：主程序開始-模擬量A/D進(jìn)行初始化程序-對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理-氣體濃度超標(biāo)報警信息-人體語音報警信息。

5　設(shè)備調(diào)試遇到的問題以及解決方法

設(shè)備在啟動程序完成以后需要進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)在發(fā)電以后可以看到SF6氣體傳感器的數(shù)據(jù)顯示波動情況非常大，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)顯示波動情況也非常大，這與在進(jìn)行調(diào)試之前使用的AT89S51單片機(jī)測量的相關(guān)數(shù)據(jù)差別非常大，采用示波器對現(xiàn)場信息進(jìn)行檢測所顯示的頻率以及振幅等其他參數(shù)數(shù)值也非常不穩(wěn)定，因此，PLC在運(yùn)行時會受到現(xiàn)場很多信號的影響使得模擬信息不能穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。

如果對模擬信息進(jìn)行濾波以后，信號的輸入以及監(jiān)控到的數(shù)據(jù)機(jī)會穩(wěn)定很多，數(shù)據(jù)信息比較接近實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境，因此，在這種復(fù)雜的工作環(huán)境中，使用PLC為監(jiān)測控制系統(tǒng)的核心就要對它的模擬量做好濾波處理。

6　PLC模擬量濾波方法以及程序設(shè)計

6.1模擬量濾波方法

不同的運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)受到信號干擾的程度也會不一樣，因此，對模擬量需要采用不同的濾波方法進(jìn)行操作。一般常用的濾波方法有：

（1）中值濾波法。這種方法主要是針對因為偶然因素形成的波動造成的干擾或者是因為采樣器不穩(wěn)定造成的干擾，對那些變化比較快的參數(shù)不采用這種方法。

（2）算數(shù)平均值法。這種方法主要是對壓力或者流量等周期性波動進(jìn)行采集數(shù)值，然后做平滑加工，但是加工的效果一般不是很理想。

（3）程序判斷法。對程序的運(yùn)行做出濾波判斷，是屬于限幅濾波還是限速濾波。

（4）加權(quán)平均值濾波法。這種方法主要是根據(jù)各個參數(shù)值的比例設(shè)置不一樣，采樣次數(shù)越多，獲得的比例也就越大，因此，可以添加新的采樣數(shù)據(jù)通過平均值的方法得到比例。

（5）低通濾波法。這種方法主要是對一些高頻信息進(jìn)行過濾，設(shè)定通過的是低頻信號，削弱高頻信號，依據(jù)程序來設(shè)定具體的參數(shù)。

6.2PLC模擬量程序設(shè)計

水電站的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，而且干擾因素比較多，比如運(yùn)行環(huán)境空氣的溫度、濕度以及電磁場等，這些對系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)試工作帶來很大困難。困難的表現(xiàn)除了以上因素還有因為監(jiān)控系統(tǒng)中信息輸出會受到很多干擾因素，比如噪聲干擾，這種干擾是隨機(jī)性的有時是周期性的。為了確保檢測的準(zhǔn)確，提高系統(tǒng)功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)之前需要先控制被檢測信息的噪音。干擾信號常見的有50Hz的干擾信號，對它進(jìn)行處理可以用積分時間為20ms的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可以很好的控制模擬量在輸入時受到的影響。

這種監(jiān)測系統(tǒng)一種需要使用硬件來處理干擾信號，另一種需要使用軟件來處理干擾信號。系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中采用數(shù)字濾波方法來消除或者減弱噪音干擾。雖然在相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，還是會受到現(xiàn)場信號的干擾，尤其是在是施工現(xiàn)場發(fā)出很多的尖峰脈沖干擾信號，這種干擾信號與一般情況下的干擾信號有很大不同，如果采用算數(shù)平均值的方法只能計算平均結(jié)果，對尖峰脈沖形成的輸入值則不能計算，因此，這種情況下需要采用低通濾波方法對模擬量進(jìn)行濾波。

7　總結(jié)

通過采用硬件以及軟件進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行會更加可靠和穩(wěn)定，也可以精確的測量高壓配電室的SF6氣體的濃度，采用紅外線語音報警系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的安全性，對工作人員的人身安全有了一定保障，在使用中發(fā)揮很好的實(shí)用性。

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2016-5-1

TP273

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2095-2066（2016）14-0228-02