SF6氣體密度在線(xiàn)微機測量系統

　　1 引言

　　SF6氣體是一種無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)味，化學(xué)性能極穩定的物質(zhì)，具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能。目前，SF6氣體廣泛應用于電力企業(yè)的電氣設備中，如SF6斷路器、SF6高壓組合電氣設備(GIS)等。在電力企業(yè)含SF6氣體設備的使用中，SF6氣體如產(chǎn)生泄漏，將直接影響電氣沒(méi)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，生成有毒的氣體，將會(huì )對工作人員產(chǎn)生巨大危害。因此，對這些設備中SF6氣體密度的監測至關(guān)重要，SF6氣體的密度是電力企業(yè)安全運行的重要參數之一。

　　傳統的監測手段是通過(guò)機械式指針儀表來(lái)測量設備中SF6氣體的密度。雖然也有報警輸出，但測量數據不能遠傳，不利于組成在線(xiàn)監測系統，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。同時(shí)，由于電氣設備安裝的限制，很多測點(diǎn)位于很難直接觀(guān)測到的位置，給日常的測量和記錄帶來(lái)很大麻煩。

　　本文提出的SF6氣體密度微機測量系統是一種在線(xiàn)SF6氣體多參數采集系統，它具有自動(dòng)快速地進(jìn)行氣體壓力數據采集、溫度補償、精確計算氣體密度等處理功能，從而實(shí)現電廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中對SF6氣體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測以及歷史數據分析，以達到最佳的管理效果。

　　2 系統結構

　　本系統由密度變送器、微機測量系統兩部分組成。其中微機測量系統包括數據采集站和客戶(hù)端兩部分?？蛻?hù)端設在調度室，采用臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業(yè)控制計算機。數據采集站設在含SF6氣體設備的工作室內，由下位機和上位機組成，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，以西門(mén)子(SIEMENS)PLC(可編程控制器)作為下位機，系統結構如圖1。

　　通過(guò)以上的集散式采集方式，使系統具有開(kāi)放式的結構?？筛鶕F場(chǎng)的測量點(diǎn)數，組合成各種規模的測量系統。

　　3 密度變送器

　　SF6氣體狀態(tài)參數計算可用Beattie-Bridgman公式表達

　　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)。

　　根據式(1)，當氣體密度γ不同時(shí)，可得到SF6氣體壓力與溫度按不同的斜率成線(xiàn)性變化的關(guān)系，SF6氣體壓力-溫度成一組狀態(tài)參數據曲線(xiàn)簇，如圖2。

　　密度變送器的敏感元件采用溫度、壓力復合傳感器芯片。復合傳感器是通過(guò)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?？梢愿惺茉O備內部同一點(diǎn)SF6氣體的壓力和溫度。這樣，通過(guò)式(1)，可計算出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)，單片機采用C8051F023微處理器芯片。C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，功能完善，設計靈活。壓力和溫度信號通過(guò)輸入信號處理電路接入模數轉換器件AD7705。AD7705是利用∑-△轉換技術(shù)實(shí)現了16位無(wú)丟失代碼的模數轉換芯片。單片機完成數據采集后，計算出SF6氣體的密度，通過(guò)D/A輸出4～20 mA標準信號給微機測量系統。

　　密度變送器的機械結構設計也很重要。如果傳感器密封不好，或傳感器與高壓設備的連接設計不合理導致SF6氣體泄漏，將會(huì )給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅。因此，在設計中采取了以下多項措施，保證變送器密封：

　?、倜芏茸兯推鞯陌惭b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構，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(guò)設計壓力(0.7 MPa)10倍，徹底解決可能出現的泄漏問(wèn)題。

　?、勖芏茸兯推靼惭b前要經(jīng)過(guò)打壓試驗，安裝后，還要用便攜式檢漏儀檢漏，以確保變送器密封。

　　4 微機測量系統

　　測量系統包括數據采集站和客戶(hù)端兩部分。

　　4.1 數據采集站

　　數據采集站分為下位機和上位機兩部分。

　　下位機采用西門(mén)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設備工作室內，可根據測量點(diǎn)數設計PLC采集模塊的規模。各不同的SF6設備工作室也可以由一條PROFIBUS電纜組成下位機系統。S7-300的CPU模塊把采集到所有密度數據通過(guò)工業(yè)通訊網(wǎng)卡把數據傳給上位機。

　　上位機采用研華(ADVANTECH)公司的Industrial Panel PC平板電腦。IPPC平板電腦采用不銹鋼結構，LCD采用鋼化玻璃保護，符合NE-MA4/IP65標準。使工業(yè)控制計算機得到可靠的防護。Soket370結構CPU使IPPC工業(yè)電腦的硬件結構更加穩定、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;操作系統采用WINDOWS2000。完成所有數據的采集并實(shí)時(shí)顯示，在畫(huà)面上為實(shí)時(shí)狀態(tài)圖和實(shí)時(shí)參數表分別顯示，同時(shí)完成實(shí)時(shí)報警、趨勢曲線(xiàn)、歷史數據存貯等功能。

　　4.2 客戶(hù)端

　　很多SF6設備工作室為無(wú)人值守，為了能使測量數據及時(shí)地顯示給工作人員，數據采集站的上位機設計了網(wǎng)絡(luò )接口，與調度室的客戶(hù)端計算機組成點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )。這樣，一旦有報警發(fā)生，調度室的工作人員第一時(shí)間就能從彈出的實(shí)時(shí)報警窗口中了解到故障出現的具體位置。

　　客戶(hù)端為臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業(yè)控制計算機。硬件組成與現場(chǎng)計算機相同，配接打印機，完成與數據采集站的通信，同時(shí)在調度室完成所有現場(chǎng)計算機具有的顯示功能，并具有網(wǎng)絡(luò )報警、網(wǎng)絡(luò )數據庫、報表打印功能。

　　同時(shí)，可以通過(guò)客戶(hù)端的計算機，使測量數據、顯示頁(yè)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(mén)也可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，及時(shí)地了解SF6設備工作室各測點(diǎn)SF6氣體的密度。

　　5 軟 件

　　采集站和客戶(hù)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。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)參數表、報警窗口(實(shí)時(shí)報警窗口和歷史報警窗口)、歷史曲線(xiàn)、報表打印等。

　　本系統已在國內某大型電力企業(yè)中實(shí)際應用，測量點(diǎn)數超過(guò)了200點(diǎn)，于2004年9月投入運行。整個(gè)系統一直運行安全、無(wú)泄漏發(fā)生、測量準確、運行可靠，軟件界面友好、工作穩定、使SF6氣體的監測有了實(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(guò)低進(jìn)行了報警，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)運行的安全性所必不可少的系統之一。