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

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)控系統主要用于水電站高壓配電室的復雜情況，使用這種監(jiān)控系統可以隨時監(jiān)控到SF6與氧氣的濃度。本文對這種監(jiān)控系統的工作原理以及該系統的硬件電氣設計進行介紹，采用硬件設備的聯機調試對SF6以及其他氣體的濃度進行檢測，以實現預期目標。

SF6氣體；監(jiān)控系統；工作原理；程序設計

引言

SF6氣體在一般情況下具有無色、無毒以及不燃等特點，屬于惰性氣體，它的化學性質相對比較穩(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、鋁等很多物質發(fā)生反應，如果在電弧的作用下會產生分解，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)控系統對這些氣體時時進行檢測濃度。已往采用的AT89S51單片機的監(jiān)控系統對這種比較復雜的環(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單片機強很多，因此西門子PLC控制的SF6監(jiān)控系統在復雜的工作環(huán)境就能發(fā)揮很好的效果。

1　系統組成原理以及功能

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

圖1　系統原理圖

2　系統主要元件選型

2.1PLC類型的選擇

目前我們經常使用的是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、很好的抗干擾能力、操作靈活很容易掌握、內置集成比較豐富、通訊能力非常好等特點。

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

2.2SF6氣體傳感器的選擇

SF6氣體傳感器主要是電化學氣體傳感器，它能夠在正常使用下使精度達到很高，小于等于1×10-8。如果水電站處于非常復雜的環(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行的測量，它比電化學傳感器更具有優(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)生化學反應、使用期限在十年左右、結構更加簡單、功耗比較低、數據以及模擬數據輸出非?？?。

2.3溫濕度傳感器的選擇

高壓配電裝置在復雜環(huán)境中會受到空氣的溫度和濕度的影響，對系統的正常運行帶來影響，因此，在監(jiān)測系統中使用了瑞士的一家科技公司生產的溫濕度傳感器，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：芯片可以全程進行標定、可以同時進行兩線數據輸出、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　電氣控制系統的設計

3.1硬件電路設計

依據監(jiān)控系統的功能以及實際情況進行分析，我們采用西門子的CPU226為核心的SF6氣體監(jiān)控系統，模擬量的輸入需要多路，因此模擬量的擴展模塊使用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

依據監(jiān)控系統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行確定，如表1所示。

表1　PLC的輸入和輸出分配表

4　軟件設計

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

5　設備調試遇到的問題以及解決方法

設備在啟動程序完成以后需要進行調試，系統在發(fā)電以后可以看到SF6氣體傳感器的數據顯示波動情況非常大，溫濕度傳感器的數據顯示波動情況也非常大，這與在進行調試之前使用的AT89S51單片機測量的相關數據差別非常大，采用示波器對現場信息進行檢測所顯示的頻率以及振幅等其他參數數值也非常不穩(wěn)定，因此，PLC在運行時會受到現場很多信號的影響使得模擬信息不能穩(wěn)定而且準確。

如果對模擬信息進行濾波以后，信號的輸入以及監(jiān)控到的數據機會穩(wěn)定很多，數據信息比較接近實際現場環(huán)境，因此，在這種復雜的工作環(huán)境中，使用PLC為監(jiān)測控制系統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計

6.1模擬量濾波方法

不同的運行環(huán)境系統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不采用這種方法。

（2）算數平均值法。這種方法主要是對壓力或者流量等周期性波動進行采集數值，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。對程序的運行做出濾波判斷，是屬于限幅濾波還是限速濾波。

（4）加權平均值濾波法。這種方法主要是根據各個參數值的比例設置不一樣，采樣次數越多，獲得的比例也就越大，因此，可以添加新的采樣數據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行過濾，設定通過的是低頻信號，削弱高頻信號，依據程序來設定具體的參數。

6.2PLC模擬量程序設計

水電站的運行環(huán)境比較復雜，而且干擾因素比較多，比如運行環(huán)境空氣的溫度、濕度以及電磁場等，這些對系統設備的調試工作帶來很大困難。困難的表現除了以上因素還有因為監(jiān)控系統中信息輸出會受到很多干擾因素，比如噪聲干擾，這種干擾是隨機性的有時是周期性的。為了確保檢測的準確，提高系統功能，對數據進行處理和調節(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，對它進行處理可以用積分時間為20ms的雙積分A/D轉換器，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。系統在運行的過程中采用數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)，還是會受到現場信號的干擾，尤其是在是施工現場發(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，如果采用算數平均值的方法只能計算平均結果，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行濾波。

7　總結

通過采用硬件以及軟件進行系統的聯機調試，基于PLC控制的SF6氣體監(jiān)控系統的運行會更加可靠和穩(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大大提高了系統的安全性，對工作人員的人身安全有了一定保障，在使用中發(fā)揮很好的實用性。

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