黃成吉，葉國(guó)強(qiáng)，李 麗，盧志江，周永言，吳曉峰，樊小鵬

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體由于具有優(yōu)良的絕緣滅弧性而被廣泛地應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中[1]。但SF6在設(shè)備中運(yùn)行后，由于運(yùn)行過(guò)程中放電和高溫高壓的作用，導(dǎo)致氣體分解成一系列劇毒的低氟化物（SO2、SF2、SOF2等），當(dāng)泄漏到空氣中就容易對(duì)人的身體造成威脅[2]。目前現(xiàn)有的六氟化硫檢測(cè)方法是定期從SF6斷路器充氣口導(dǎo)出氣體到專(zhuān)用的測(cè)試儀器，主要有檢漏儀和密度繼電器，利用這些儀器檢測(cè)氣體的純度、濕度等相關(guān)參數(shù)，這種離線的檢測(cè)方式存在檢測(cè)實(shí)時(shí)性差、檢測(cè)方法的操作過(guò)程繁瑣和造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)[3]。為實(shí)現(xiàn)SF6氣體的在線采樣監(jiān)測(cè)、氣體各項(xiàng)指標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)及其監(jiān)測(cè)過(guò)程的自動(dòng)控制，本文設(shè)計(jì)了六氟化硫在線采樣檢測(cè)系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

六氟化硫在線采樣檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。本方案以SF6氣體綜合分析儀為檢測(cè)主體，以西門(mén)子PLC S7-200為控制核心，主要包括三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。

（1）西門(mén)子PLC通過(guò)對(duì)電磁閥的開(kāi)斷控制、對(duì)氣泵和壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制氣體采樣回路，使其按照一定的流程進(jìn)行循環(huán)。

（2）通過(guò)SF6綜合分析儀，可以檢測(cè)出SF6氣體的溫濕度、純度及其分解產(chǎn)物。這些檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口可以反饋至PLC內(nèi)，為PLC的中斷或急停等命令提供依據(jù)。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

（3）觸摸屏與西門(mén)子PLC之間的通訊。

系統(tǒng)的主要工作原理為：操作者在觸摸屏上進(jìn)行通道的選擇之后，通過(guò)RS485接口把數(shù)字量傳入PLC，PLC掃描需要檢測(cè)的通道，輸出信號(hào)控制相應(yīng)的電磁閥，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)使回路完成氣路初始化、抽真空、測(cè)量、氣體回充四個(gè)流程。另外，氣路單元中的壓力開(kāi)關(guān)通過(guò)檢測(cè)通道的壓力向PLC反饋模擬量，經(jīng)PLC處理后判斷是否繼續(xù)抽真空。SF6氣體綜合分析儀中測(cè)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口傳送至PLC中，再通過(guò)PLC與觸摸屏之間的通訊把數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上，一旦氣體的各項(xiàng)指標(biāo)超出系統(tǒng)設(shè)定的安全值，觸摸屏就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)PLC發(fā)出急?；蛑袛嘀噶睢?/p>

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 氣體采樣回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的氣體采樣回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。SF6氣體通過(guò)氣體采樣回路與SF6氣體綜合分析儀相連，其電磁閥由PLC控制，以完成SF6氣體從抽真空到檢測(cè)、回充幾個(gè)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行。

（1）初始化狀態(tài)。在此狀態(tài)下，所有電磁閥呈關(guān)閉狀態(tài)。

（2）抽真空狀態(tài)。在以往的檢測(cè)過(guò)程中，氣路中難免會(huì)有些殘余氣體，而殘余氣體的存在會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此必須把殘余氣體抽除干凈。伴隨著狀態(tài)的切換，抽真空裝置自動(dòng)啟動(dòng)，此時(shí)YV5、YV6、YV8、YV9、YV10這五個(gè)電磁閥得電打開(kāi)，進(jìn)行中間氣路的抽真空。氣路的真空度由抽真空清潔檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)，當(dāng)真空度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)至PLC，由PLC發(fā)出指令，關(guān)閉抽真空裝置。

圖2 氣體采樣回路結(jié)構(gòu)圖

（3）檢測(cè)狀態(tài)。氣路在抽真空程序過(guò)后，殘余氣體得到清除，此時(shí)關(guān)閉YV6、YV9，打開(kāi)YV7、YV11。為避免SF6采樣氣體進(jìn)入抽真空裝置通道，YV1延時(shí)打開(kāi)。此時(shí)SF6氣體進(jìn)入氣體綜合檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后的氣體在氣體回收裝置的作用在集中在活塞中。為保護(hù)SF6綜合分析儀，氣路中設(shè)置了SF6流量控制閥。檢測(cè)時(shí)間由操作者設(shè)定，持續(xù)一定時(shí)間后，檢測(cè)結(jié)束。

（4）氣體回充。檢測(cè)結(jié)束后SF6氣體仍殘留于氣路中，為了不造成氣體的浪費(fèi)和避免環(huán)境的污染，需將氣體回充至氣瓶中。當(dāng)切換至回充狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉YV5、YV7、YV8、YV11，氣泵驅(qū)使氣體回充裝置擠出活塞內(nèi)的氣體，回充至氣瓶中。當(dāng)氣路中的壓力達(dá)到設(shè)定值后，壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)反饋模擬量至PLC中，由PLC發(fā)出指令，停止回充?；爻渫戤吅螅P(guān)閉YV1、YV10。

2.2 控制系統(tǒng)確定

控制系統(tǒng)的核心主要包括PLC和觸摸屏。由于西門(mén)子S7-200系列的PLC廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，具有極高的可靠性與極強(qiáng)的抗干擾能力、強(qiáng)勁的實(shí)時(shí)特性和通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此在本控制系統(tǒng)中選擇西門(mén)子S7-200系列PLC作為控制單元的核心。結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)中所需要的數(shù)字輸入量、輸出量與模擬量的接口分析，最終選用西門(mén)子CPU226與擴(kuò)展模塊EM235來(lái)滿(mǎn)足硬件控制的要求。觸摸屏采用威綸MT6070ih型號(hào)觸摸屏，其優(yōu)越的響應(yīng)速度和良好的通訊能力可以滿(mǎn)足控制的要求。

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)氣路系統(tǒng)的控制來(lái)達(dá)到控制檢測(cè)流程的目的，控制流程圖如圖3所示。PLC主程序主要包括參數(shù)換算、電磁閥控制和流程轉(zhuǎn)換三個(gè)模塊。操作者可以通過(guò)觸摸屏選擇需要檢測(cè)的通道、流量值、檢測(cè)時(shí)間和氣泵充氣時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)。程序開(kāi)始設(shè)置了一個(gè)讀取流量控制閥數(shù)值的中斷程序，與預(yù)設(shè)置的流量值作比較以控制流量值。程序開(kāi)始執(zhí)行后，被選擇的通道依次執(zhí)行從氣路初始化到抽真空、檢測(cè)、回充的四個(gè)程序段。氣路初始化前設(shè)置了供氣泵充氣延時(shí)程序，抽真空到檢測(cè)程序段的轉(zhuǎn)化由抽真空壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)所提供的信號(hào)觸發(fā)，檢測(cè)時(shí)間由用戶(hù)輸入，之后直接跳轉(zhuǎn)到回充程序段，最后由回充壓力開(kāi)關(guān)提供的信號(hào)觸發(fā)檢測(cè)程序的結(jié)束。一次檢測(cè)完畢后判斷是否還需要進(jìn)行下個(gè)氣路的循環(huán)檢測(cè)。

圖3 SF6氣路控制流程圖

3.2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏的設(shè)計(jì)包括SF6氣體檢測(cè)、檢測(cè)信息、用戶(hù)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)界面的設(shè)定，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 觸摸屏操作界面結(jié)構(gòu)

（1）氣體檢測(cè)。此界面的功能是控制SF6在線采樣控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，以及工作過(guò)程中的流程監(jiān)測(cè)。按下“開(kāi)始”按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)入氣體采樣檢測(cè)流程。再次按下“開(kāi)始”按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行。另外，系統(tǒng)進(jìn)行在線采樣檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指示燈閃爍。例如，系統(tǒng)正在對(duì)通道1進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)屏幕下方會(huì)顯示“正在檢測(cè)通道1”，同時(shí)，進(jìn)入“抽真空”狀態(tài)后，抽真空指示燈持續(xù)閃爍，直至抽真空狀態(tài)結(jié)束。同理，進(jìn)入“檢測(cè)”狀態(tài)后，檢測(cè)指示燈持續(xù)閃爍直至檢測(cè)完成。

（2）用戶(hù)參數(shù)。此界面的功能是實(shí)現(xiàn)多通道的自由選擇以及，檢測(cè)時(shí)間間隔的設(shè)定。用戶(hù)設(shè)定好檢測(cè)時(shí)間間隔以后，進(jìn)行通道選擇，可使系統(tǒng)按照用戶(hù)要求自動(dòng)檢測(cè)。例如，用戶(hù)設(shè)定時(shí)間間隔為1天，選擇通道1，3，4。系統(tǒng)將每隔1天對(duì)通道1，3，4進(jìn)行在線檢測(cè)。

（3）檢測(cè)信息。此界面的功能是顯示檢測(cè)信息。用戶(hù)選擇通道后，可查看不同通道的檢測(cè)信息。并且，用戶(hù)可以按照需要保存檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)參數(shù)。此界面的功能是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？稍O(shè)定各參數(shù)報(bào)警值，以及自動(dòng)報(bào)警開(kāi)關(guān)。點(diǎn)擊“返回”按鈕可以返回至“模式選擇”界面。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

SF6在線自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試包括PLC程序和觸摸屏設(shè)計(jì)的軟件調(diào)試，以及氣體采集回路結(jié)構(gòu)和SF6氣體分析儀的硬件調(diào)試。

4.1 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試包括PLC程序調(diào)試和觸摸屏程序調(diào)試。使用STEP 7-MicroWIN軟件將程序下載至PLC中，在運(yùn)行中利用“開(kāi)始程序狀態(tài)監(jiān)測(cè)”對(duì)PLC程序進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示程序順利完成對(duì)輸出閥體開(kāi)關(guān)的控制。觸摸屏程序與PLC聯(lián)機(jī)后，可以完成對(duì)各開(kāi)關(guān)按鈕的控制，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試包括氣體采樣回路結(jié)構(gòu)和SF6氣體分析儀的調(diào)試。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證硬件平臺(tái)的可行性。首先進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是將濕度為-55°C的氣體直接通入SF6氣體分析儀，在通入氣體130秒后分析儀顯示SF6氣體濕度達(dá)到-55°C，其后數(shù)值保持穩(wěn)定，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SF6氣體分析儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。第二組實(shí)驗(yàn)是利用氣體采樣回路在自動(dòng)檢測(cè)的模式下采得氣體，在流量穩(wěn)定后170秒后氣體濕度達(dá)到-55°C，其后數(shù)值保持穩(wěn)定，該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明氣體在通過(guò)采樣回路后并不影響其測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了氣體采樣回路結(jié)構(gòu)的有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 SF6氣體通過(guò)氣路與直接進(jìn)入分析儀測(cè)量結(jié)果比較圖

5 結(jié)論

根據(jù)任務(wù)確定了SF6氣體在線自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方式和控制方案，并選用PLC和觸摸屏對(duì)氣體回路系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化控制。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，程序運(yùn)行穩(wěn)定性好、可靠性高、操作人性化和智能化，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不但改善了SF6氣體采樣檢測(cè)的工作環(huán)境、實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，還對(duì)能源節(jié)省和環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)。

［1］陳振生.GIS高壓電器SF6氣體密度、濕度及泄漏檢測(cè)技術(shù)［J］.電氣技術(shù)，2007（4）：16-20.

［2］吳淳天.淺談GIS設(shè)備SF6氣體泄漏及氣壓低補(bǔ)氣關(guān)鍵點(diǎn)控制［J］.電力與能源，2012（9）：375-376.

［3］陳化鋼.電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［4］周媛，李自樂(lè).一種基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，2（38）：229-232.