孔德明

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西晉城 048006）

0 引言

配電柜在供電系統(tǒng)中起著保護(hù)、控制或者通斷功能，是礦井供電系統(tǒng)中重要的組成設(shè)備。當(dāng)配電柜內(nèi)部電力設(shè)備過載時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)溫度升高；母線與導(dǎo)線接觸不良或者接觸端氧化時(shí)電阻增加，也會(huì)導(dǎo)致溫度增加。長(zhǎng)時(shí)間溫度增加不僅會(huì)導(dǎo)致供電元件老化、損壞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線擊穿事故［1-3］。當(dāng)供電柜發(fā)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致礦井供電中斷，給井下作業(yè)人員安全以及正常煤炭開采帶來嚴(yán)重影響［4］。

山西某礦地面配備有8臺(tái)配電柜，電壓為35 kV高壓電，是礦井供電系統(tǒng)中的核心部分，對(duì)確保礦井供電有著決定性作用?，F(xiàn)階段礦井采用人工值守方式，安排2 名工作人員24 h 進(jìn)行監(jiān)控，確保配電柜平穩(wěn)運(yùn)行。但是，由于人工值守僅能發(fā)現(xiàn)表面問題，對(duì)配電柜內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀況無法有效掌握，考慮到配電柜絕大多數(shù)故障都會(huì)發(fā)熱，因此，本文提出一種基于ARM的礦井地面配電柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用紅外技術(shù)對(duì)配電柜發(fā)熱情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果上傳上位機(jī)，通過上位機(jī)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信息，提示作業(yè)人員前去檢修，避免出現(xiàn)供電事故。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 溫度監(jiān)測(cè)方式確定

由于配電柜中電力元件處于高溫狀態(tài)，對(duì)該類設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)難度較大?，F(xiàn)階段專門的用以配電柜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)并不常見，其中一種是將母線、觸頭及其連接導(dǎo)線上涂抹一層隨溫度可變色的材料，通過觀測(cè)材料顏色來對(duì)設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行粗略確定，此類方法準(zhǔn)確性低，可操作性不強(qiáng)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常，未普及應(yīng)用；紅外熱成像技術(shù)根據(jù)被監(jiān)測(cè)物體輻射的紅外強(qiáng)度強(qiáng)弱來對(duì)物體溫度進(jìn)行確定，具有不接觸、探測(cè)范圍廣、無損等優(yōu)點(diǎn)，且可以直接確定監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度分布［5-7］。根據(jù)礦井地面配電柜工作環(huán)境以及對(duì)配電柜監(jiān)測(cè)要求，最終選擇紅外熱成像技術(shù)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)方法。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能

設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)地面配電柜內(nèi)溫度異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常時(shí)監(jiān)控中心內(nèi)的上位機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息。設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括紅外攝像頭（溫度圖像采集模塊）、控制單元（溫度圖像控制模塊）以及上位機(jī)監(jiān)控中心（數(shù)據(jù)分析及報(bào)警模塊）［8］。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配電柜溫度監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)有一個(gè)IP 地址，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。將安設(shè)有紅外攝像頭的ARM 平臺(tái)安裝于配電柜門內(nèi)側(cè)，以便對(duì)配電柜內(nèi)電力元件溫度情況進(jìn)行采集。

具體過程為［9］：（1）紅外攝像頭對(duì)配電柜運(yùn)行溫度采集、形成溫度圖像；（2）圖像以點(diǎn)陣形式存儲(chǔ)于SDRAM內(nèi)；（3）通過以太網(wǎng)將溫度圖像傳輸至上位機(jī)；（4）上位機(jī)將接收到的溫度分布圖像與預(yù)存在上位機(jī)內(nèi)部的正常狀態(tài)下配電柜溫度分布圖像進(jìn)行比對(duì)?？紤]到配電柜運(yùn)行環(huán)境存在差異，因此，分時(shí)段分季節(jié)采集多組溫度分布圖像作為標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)樣本圖像。當(dāng)上位機(jī)對(duì)比發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的配電柜內(nèi)存在溫度異常點(diǎn)時(shí)，上位機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警信息，提示相關(guān)人員前去檢查。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)包括有紅外攝像機(jī)、微處理器（S3C2400）、圖像存儲(chǔ)設(shè)備、傳輸設(shè)備及監(jiān)控中心等構(gòu)成。具體的設(shè)備間連接情況如圖2所示。

圖2 設(shè)備間連接示意圖

2.1 ARM選擇

經(jīng)過比對(duì)，選擇S3C2440A 芯片作為處理器，該芯片為32位RISC（ARM920T）處理器，具有能耗低、性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行頻率400 MHz，可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)要求。

2.2 圖像采集模塊

該模塊采用TC160 機(jī)芯，實(shí)現(xiàn)溫度圖像信號(hào)獲取、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)裙δ?，便于上位機(jī)對(duì)獲取圖像進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果預(yù)警。TC160 機(jī)芯提供有串行圖像輸入接口，便于與S3C2440A芯片連接。

2.3 以太網(wǎng)接口

接口是進(jìn)行以太網(wǎng)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)接口為MD9000 加嵌入式微處理構(gòu)架。其中MD9000 控制芯片可以實(shí)現(xiàn)MAC 層（訪問層）以及PHY 層（物理層）功能。具體連接線路如圖3所示。

圖3 ARM與MD9000 控制芯片連接示意圖

網(wǎng)絡(luò)接口變壓器主要功能是將外部線路與嵌入式系統(tǒng)隔離，防止外部電路對(duì)元器件工作造成影響，具備帶電插拔功能。配電柜內(nèi)部電磁強(qiáng)度高，在此環(huán)境內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)若不保護(hù)或者屏蔽必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸問題，采用可屏蔽網(wǎng)線避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失或者傳輸信號(hào)失真問題，提升信息傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

3 軟件構(gòu)成

3.1 軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)為μC/OS-II 平臺(tái)，具體包括紅外圖像采集、存儲(chǔ)、封裝打包以及傳輸?shù)热蝿?wù)功能。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)紅外圖像比對(duì)，對(duì)是否出現(xiàn)溫度異常區(qū)進(jìn)行判定，并根據(jù)判定結(jié)果發(fā)出知否報(bào)警指令。具體的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.2 運(yùn)行流程

控制軟件運(yùn)行流程為：（1）采集模塊工作，對(duì)紅外探測(cè)器內(nèi)部設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)紅外圖像的采集、圖像輸出；（2）采集到的圖像信息采用點(diǎn)陣式方式存儲(chǔ)在SDRAM內(nèi)部，為圖像傳輸做準(zhǔn)備；（3）以太網(wǎng)傳輸模塊首先對(duì)DM9000 初始化處理，微處理器對(duì)采集數(shù)據(jù)封裝打包，DM9000 對(duì)數(shù)據(jù)MAC組幀后，傳輸至上位機(jī)，傳輸協(xié)議為TCP/IP，采用Socket進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)文件傳輸，整個(gè)任務(wù)完成均在μC/OS-II平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；（4）上位機(jī)接收到傳輸來的各個(gè)配電柜紅外圖像，并通過灰度編碼形式呈現(xiàn)，并進(jìn)行溫度圖像比對(duì)。具體的運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 控制軟件運(yùn)行流程

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)礦井地面配電柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了配電柜的無人值守以及故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。其可以在一定程度上提升礦井地面供電的可靠性及穩(wěn)定性，避免由于配電柜故障導(dǎo)致礦井供電中斷問題。采用紅外技術(shù)探測(cè)配電柜內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行溫度，并根距溫度判定設(shè)備運(yùn)行是否正常，應(yīng)用前景廣泛。