摘 要：針對(duì)煤礦井下高壓開關(guān)柜人工巡檢存在間隔時(shí)間長、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障等問題，提出一種自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)采用無線射頻溫度傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)克服了高壓開關(guān)柜內(nèi)高電壓、強(qiáng)電磁環(huán)境中信號(hào)傳輸問題，并詳細(xì)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)高壓開關(guān)柜24h不間斷監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度高，可在一定程度上提升高壓開關(guān)柜運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;無線監(jiān)測(cè);溫度傳感器;ZigBee技術(shù)

高壓開關(guān)柜在使用過程中由于受到振動(dòng)、溫度以及濕度等因素影響，在金屬表面、接觸面等位置經(jīng)常出現(xiàn)氧化、磨損等問題，從而增加高壓開關(guān)內(nèi)各接觸位置電阻值，引起設(shè)備運(yùn)行溫度過高甚至出現(xiàn)電氣故障[1-3]。為了確保高壓開關(guān)柜運(yùn)行可靠性，礦井一般安排專人值守或者定期巡檢，但高壓開關(guān)柜由于是封閉結(jié)構(gòu)、柜內(nèi)存在高壓電流，值守或巡檢人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)運(yùn)行故障，為此亟需一種用以監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)[6]。文中就基于ZigBee技術(shù)提出一種無線監(jiān)控系統(tǒng)，可有效監(jiān)測(cè)開關(guān)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況，從而提升高壓開關(guān)柜運(yùn)行可靠性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體提出的高壓開關(guān)柜運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成包括有上位機(jī)、處理器單元、通信模塊以及傳感器模塊（溫度傳感器）等。監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時(shí)，傳感器模塊監(jiān)測(cè)獲取到高壓開關(guān)柜運(yùn)行時(shí)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)通信模塊（ZigBee網(wǎng)絡(luò)）將電信號(hào)傳輸至處理器單元;處理器單元將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過上位機(jī)現(xiàn)實(shí)監(jiān)控結(jié)果;同時(shí)上位機(jī)將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過專業(yè)軟件監(jiān)控高壓開關(guān)柜運(yùn)行情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過預(yù)先設(shè)定閾值后，上位機(jī)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，提醒作業(yè)人員及時(shí)處理[4-5]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)涉及到的硬件結(jié)構(gòu)包括有通信單元、存儲(chǔ)模塊、上位機(jī)、傳感器模塊、處理單元等。其中處理單元采用技術(shù)成熟、煤礦應(yīng)用較為廣泛的DSP微處理器、無線通信傳輸（ZigBee網(wǎng)絡(luò)）選用CC2530單元、傳感器模塊選用溫度監(jiān)測(cè)可靠、精度高的無線溫度傳感器。在監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中，DSP微處理器及電源技術(shù)均較為成熟，可直接應(yīng)用，制約監(jiān)控系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵在于無線通信傳輸以及傳感器模塊，下文就重點(diǎn)對(duì)上述兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括有溫度傳感器以及無線射頻模塊。

2.1.1 溫度傳感器

高壓開關(guān)柜由于有高壓電流，因而會(huì)在密閉的狹小空間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電磁，并需要布置多個(gè)傳感器同時(shí)對(duì)A、B、C三相、刀閘開關(guān)、斷路器接頭以及母線等接觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的傳感器數(shù)量眾多、分散。單個(gè)高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)單元包括有多個(gè)溫度傳感器以及一個(gè)無線通信傳輸。經(jīng)過綜合分析并結(jié)合現(xiàn)有的溫度傳感器運(yùn)行特點(diǎn)，最終選用DS18B20溫度傳感器對(duì)開關(guān)柜各接觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體該傳感器技術(shù)參數(shù)見表1。

2.1.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊選擇時(shí)需要充分考慮高壓開關(guān)柜內(nèi)空間狹小、高電壓、強(qiáng)電磁環(huán)境，同時(shí)應(yīng)滿足實(shí)現(xiàn)低能耗、小型化以及低成本要求。由德州儀器生產(chǎn)的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的CC2530控制芯片具有成本低、可靠性強(qiáng)以及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足復(fù)雜工業(yè)環(huán)境使用需要。為此，DS18B20溫度傳感器配合采用的無線射頻模塊為CC2530控制芯片。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)主要用以接收高壓開關(guān)柜內(nèi)的各個(gè)無線溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、處理，后經(jīng)RS485通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至DSP微處理器中的ARM處理芯片進(jìn)行處理。芯片對(duì)信息進(jìn)行處理后在顯示屏上顯示溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果同時(shí)將處理結(jié)果經(jīng)過井下已有工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)線傳輸至地面監(jiān)控中心。當(dāng)DSP微處理器發(fā)現(xiàn)傳感器獲取到的溫度超過設(shè)定閾值后，會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)功能，需要對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程見圖1。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化處理，隨后進(jìn)行信道能量檢測(cè)。具體信道能量檢測(cè)流程為：系統(tǒng)向被檢測(cè)信道發(fā)出BEACON-REQ幀，若該信道發(fā)出有反饋信息則可判定該信號(hào)被占用，則系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)掃描下一通道，直至搜索到一空通道。隨后控制系統(tǒng)主程序開始構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)并查找傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

主程序以N為周期（N為高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的傳感器數(shù)量）并通過不斷掃描與不同傳感器構(gòu)建傳輸通道，接收傳感器監(jiān)測(cè)信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果超過預(yù)先設(shè)定閾值后，便發(fā)出預(yù)警信息。為了確保高壓開關(guān)柜運(yùn)行安全，監(jiān)控系統(tǒng)需要24h不間斷運(yùn)行，當(dāng)需要檢修時(shí)可手動(dòng)關(guān)閉。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)無線傳輸采用兩級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中在高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的溫度傳感器、無線節(jié)點(diǎn)傳輸采用頻段2.4GHz的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可適應(yīng)高壓開關(guān)柜內(nèi)強(qiáng)電磁、高壓環(huán)境，確保溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可精準(zhǔn)傳輸;高壓開關(guān)柜外信息傳輸采用RS485總線，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。在井下高壓開關(guān)柜內(nèi)布置相應(yīng)監(jiān)控設(shè)備后，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試后監(jiān)控系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行。具體在系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月內(nèi)隨機(jī)獲取到的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2所示。

從表中可看出，高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)獲取到的各個(gè)接觸位置溫度信息與采用人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監(jiān)測(cè)結(jié)果接近，監(jiān)測(cè)精度滿足井下高壓開關(guān)柜。

5 總結(jié)

①文中提出一種煤礦井下高壓開關(guān)柜運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)通過采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效解決了高電壓、強(qiáng)電磁環(huán)境中信號(hào)傳輸問題，為井下高壓開關(guān)柜巡查提供一種切實(shí)可行技術(shù)方法。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可在一定程度上提升煤礦井下供電可靠性;②在礦井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)獲取到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度與人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監(jiān)測(cè)精度較高，可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需要。

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作者簡(jiǎn)介：

牛澤敏（1990- ），男，山西省靈石縣人，2011年7月畢業(yè)于大連交通大學(xué)，本科，助理工程師。