胡恩德 宣榮生 趙偉苗 倪錢杭 方珺

摘要：本文以PLC作為微處理器核心，并結(jié)合多種高精度傳感器采集斷路器相應(yīng)的電流、溫度、保護(hù)、輔助接點(diǎn)等動(dòng)作特征參量，同時(shí)，以檢修專家多年對斷路器動(dòng)作、檢修故障事例的檢修分析經(jīng)驗(yàn)，形成斷路器動(dòng)作分析專家數(shù)據(jù)庫，研制出了一套斷路器動(dòng)作預(yù)判系統(tǒng)。研究表明，該預(yù)判系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出斷路器的動(dòng)作性質(zhì)，提高了檢修人員對斷路器的檢修效率。

關(guān)鍵詞：斷路器；動(dòng)作預(yù)判；特征參量；檢修

1 預(yù)判系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖。系統(tǒng)采用具有高穩(wěn)定性高可靠性的工業(yè)級微處理器PLC作為信號(hào)采集、處理與控制的核心，利用溫度傳感器與電流傳感器測量跳閘線圈的溫度與電流變化率并將信息傳輸至PLC處理器，同時(shí)，采用PLC微處理器獲取斷路器控制柜中的保護(hù)信號(hào)與接點(diǎn)信號(hào)作為輔助判斷。預(yù)判系統(tǒng)將實(shí)時(shí)記錄電流、溫度、保護(hù)信號(hào)與節(jié)點(diǎn)信號(hào)，并利用PLC處理器中的專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)特征量的變化做出相應(yīng)的判斷。

2 預(yù)判系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)裝置的硬件主要包括電源模塊、微處理器核心、溫度傳感器模塊、電流傳感器模塊、LCD顯示模塊等五大模塊。

2.1.1 電源模塊

電源模塊采用輸入電壓為交流220V以及輸出為5V的常用電源模塊，該電源模塊集成在系統(tǒng)裝置中，所占用體積較小，方便靈活。

2.1.2 微處理器模塊

微處理器采用型號(hào)為SIMATIC S7-1200系列的工業(yè)級處理器PLC，具有可擴(kuò)展性的突出優(yōu)點(diǎn)，可在任何CPU的前方加入一個(gè)信號(hào)板，輕松擴(kuò)展數(shù)字或模擬I/O。其次，支持以太網(wǎng)接口傳輸信號(hào)，具有高速運(yùn)行的傳輸?shù)墓δ埽?具有用于進(jìn)行計(jì)算和測量、閉環(huán)回路控制和運(yùn)動(dòng)控制的集成技術(shù)，是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種類型的自動(dòng)化任務(wù)。另外，PLC是工業(yè)級微處理器，在運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，強(qiáng)電磁場存在的情況下，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.1.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用熱電偶與AD8497芯片電路兩者相結(jié)合的方式對跳閘線圈的溫度進(jìn)行采集。傳感器的實(shí)物圖與電路圖如下所示。熱電偶用于將現(xiàn)場溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào)，可對0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度進(jìn)行測量。熱電偶必須要結(jié)合二次儀表方能工作，因此使用AD8497芯片將溫度測量值直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字并輸出。

2.1.4 電流傳感器模塊

通常跳閘線圈的通電電流不大于5A，因此可采用額定電流為10A或20A的閉環(huán)式霍爾電流傳感器，選型為南京中霍傳感科技公司生產(chǎn)的HCS-LTS系列電流傳感器。將霍爾電流傳感器直接穿芯嵌套在跳閘線圈中，并使其固定防止接觸線圈。該系列電流傳感器將電流量輸出電壓量，可通過外部模數(shù)采集模塊進(jìn)行采集。

2.1.5 LCD液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊采用簡單的12864顯示屏，可以顯示圖形數(shù)字符號(hào)，主要用于顯示斷路器動(dòng)作時(shí)的信號(hào)變化與預(yù)判結(jié)果。

保護(hù)信號(hào)與輔助節(jié)點(diǎn)信號(hào)已經(jīng)集成在斷路器保護(hù)控制柜中，利用PLC控制器的外圍資源直接獲取兩者的信號(hào)變化。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)裝置的軟件設(shè)計(jì)主要是完成對跳閘線圈的溫度變化與電流變化的采集，同時(shí)獲取保護(hù)信號(hào)與輔助節(jié)點(diǎn)信號(hào)。電流傳感器與溫度傳感器分別測量跳閘線圈的電流變化與溫度變化。

當(dāng)預(yù)判系統(tǒng)上電開始工作，電流傳感器、溫度傳感器、兩個(gè)外圍管腳分別對跳閘線圈的電流變化、溫度變化以及保護(hù)信號(hào)與輔助接點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄。當(dāng)任何一個(gè)特征參量發(fā)生改變時(shí)，處理器記錄四個(gè)特征參量的數(shù)值，記錄參量發(fā)生變化前一刻的四個(gè)參量值，保存在處理器中，并將前后變化的數(shù)值顯示在液晶屏中。同時(shí)，將四個(gè)數(shù)值的變化所形成的邏輯在專家數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢對比，找出相應(yīng)的故障信息。

2.3 專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫

專家知識(shí)庫是專家系統(tǒng)的核心之一，其主要功能是存儲(chǔ)和管理專家系統(tǒng)中的知識(shí)，主要包括來自書本上的知識(shí)和各領(lǐng)域?qū)＜以陂L期的工作實(shí)踐中所獲得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

處理器中的專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫集成了斷路器出現(xiàn)動(dòng)作時(shí)的多種原因或故障分析結(jié)果，這些原因通常是檢修專家在平時(shí)對斷路器進(jìn)行故障缺陷處理與分析時(shí)得出，一般從斷路器故障的外在表現(xiàn)，再深入分析或解剖斷路器等方式得到。因此，專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫基本上涵蓋了斷路器可能出現(xiàn)的各種故障。下表1列出了斷路器在溫度變化量、電流變化量、保護(hù)出口信號(hào)以及輔助接點(diǎn)等四種特征參量的不同變化時(shí)，斷路器可能出現(xiàn)的故障原因情況。

當(dāng)斷路器出現(xiàn)某種故障或動(dòng)作時(shí)，根據(jù)預(yù)判裝置中的傳感器測量得到的四種特征參量變化情況，在專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)的故障缺陷，從而對斷路器動(dòng)作的性質(zhì)做出判斷。

3、預(yù)判系統(tǒng)有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該斷路器動(dòng)作預(yù)判系統(tǒng)的有效性與判斷的準(zhǔn)確性，本文對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于線圈是一種金屬材料，其電阻值會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變（在線圈沒有燒毀前，溫度越高，電阻越大）。因此，通電線圈的電流與溫度間的關(guān)系不是線性關(guān)系，需要先探究線圈的電流與溫度間的關(guān)系。對線圈施加220V的穩(wěn)定的直流電壓，每隔一段時(shí)間采集線圈的電流幅值與溫度幅值，直至線圈燒毀，結(jié)果如下表1所示：

從表1可以發(fā)現(xiàn)，線圈的溫度隨著通電時(shí)間的增加而呈現(xiàn)單一的上升趨勢，而線圈的電流則隨著通電時(shí)間的增加呈現(xiàn)單一下降趨勢，最后在110秒的時(shí)刻，電流幅值發(fā)生突變，反彈增大，說明此刻線圈已經(jīng)發(fā)生燒毀，溫度也達(dá)到最大幅值，如下圖1所示。

電流的變化呈現(xiàn)下降趨勢，電流的變化呈現(xiàn)上升趨勢，考慮到特征量前后變化差值的正負(fù)性，在判斷時(shí)以差值的絕對值作為判斷值。同時(shí)，考慮到直流穩(wěn)壓電源的波動(dòng)，將電流變化值0.1A以及溫度的變化值0.2℃作為變化閾值。