段正華,彭俊超,徐安江

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南曲靖 655000)

1 鉛鋅冶煉工業(yè)電氣裝置需求分析

鉛鋅冶煉工業(yè)是個龐大復雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),大量使用中低壓開關柜、高壓電動機、發(fā)電機等電氣設備。對自動化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求,不僅對其供電可靠性越來越高,而且對冶煉工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關鍵的配電及高壓電動機設備的穩(wěn)定可靠性也提出了更高的要求。電氣設備在長期運行過程中,電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱,進而導致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故[1]。變電站或配電室內(nèi)開關柜等電氣設備安裝密集,電動機也都是各工藝段的關鍵設備,故此類事故可能會導致大量電氣設備損壞,并引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設備突然停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

近年來,傳感器及物聯(lián)網(wǎng),設備的在線監(jiān)測,及大數(shù)據(jù)分析等技術的快速發(fā)展,結(jié)合鉛鋅冶煉工業(yè)的特點及需求,新技術的研究與應用對解決此類問題提供了新的解決方案。

2 關鍵新技術的選用

針對上述提出的問題,結(jié)合溫度傳感器、Zigbee無線傳輸、云應用及大數(shù)據(jù)分析技術現(xiàn)狀,本文提出了多種新技術的解決方案并結(jié)合實際案例進行應用。

2.1 溫度測量技術的選用

傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫,溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線傳輸溫度信號。電氣設備測溫檢測,由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點/觸點上,其信號傳輸金屬導線的絕緣性能無法保證。同時,對于改造類項目實施難度較大,因此推薦采用無線測溫方法進行檢測。目前無線測溫方法包括感應供電無線測溫、CT 取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發(fā)熱點,塵土震動對其影響較大;有源無源測溫較合適,無需布線,易于安裝,但有源測溫需要外供電池,受電池壽命影響,需要更換;CT 取電測溫安裝相對復雜,受自身發(fā)熱影響,誤動作概率明顯高于前者;表1 詳細比較了各種無線測溫方法的性能。

綜上,類比不同形式的無線測溫方式,感應供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長、故障率低等特點。

2.2 無線傳輸技術選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式,其中應用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信方式包括:Zigbee 技術、藍牙技術(Bluetooth)、工業(yè)無線技術(WiFi)、超寬帶技術(UWB)、近場通信技術(NFC)。

表1 無線測溫技術性能比較

藍牙技術(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術,傳輸距離在10 m 范圍以內(nèi),最高傳輸速率約1 Mb/s,其有效速率約為723 kb/s;超寬帶技術(UWB)傳輸速率一般結(jié)余53～480 Mb/s 傳輸距離小于40 m;近場通信技術(NFC)適用于近距離貼近操作。Zigbee 技術的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較近;設備功耗極低,發(fā)射輸出僅為為0～3.6 dBm;通信組網(wǎng)簡潔。這些主要特征使Zigbee通信技術傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,同時輸出的數(shù)據(jù)容量也比較大。表2 給出了幾種技術性能比較。

表2 無線傳輸技術性能比較

Zigbee 通信協(xié)議的制定是由IEEE802.15.4 團隊和Zigbee 聯(lián)盟共同完成。該通信技術的PHY 層和MAC 層執(zhí)行IEEE802.15.4 的標準協(xié)議,網(wǎng)絡層的制定由Zigbee 聯(lián)盟完成,應用層比較開放,允許用戶按照不同的需求,自主進行開發(fā)。

Zigbee 通信工作頻段共包含3 個,本項目采用的無源測溫傳感器采用2.4 GHz 頻段,該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率最大為250 kbps,其分為16 個信道,目前為全球通用,且免申請無需付費。為了最大化降低無線電載波通信間的相互沖突,選用CSMA-CA方式(免沖突多載波信道接入技術);為了保證通信數(shù)據(jù)的安全,選用密鑰長度為128 位的加密算法對數(shù)據(jù)進行加密。

Zigbee 組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)支持2 種方式:星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格對等結(jié)構(gòu)[2]。本項目采用混合型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),將2 種拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合使用,形成簇樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。簇樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

一般簇樹狀網(wǎng)絡分配網(wǎng)絡地址方案為分布式地址分配,具體為每一個父設備分配一個有限的網(wǎng)絡地址段,并且被分配的地址在特定網(wǎng)絡中是唯一的。針對網(wǎng)絡中設定好深度的節(jié)點,由父設備分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d),計算公式為:

式中d—該設備在樹狀拓撲中的網(wǎng)絡深度;

Cm—由父設備管理的子設備數(shù)量的最大值;

LM—簇樹網(wǎng)絡設計最大深度;

圖1 Zigbee 簇樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

Rm—路由器被父設備作為子設備的最大數(shù)。

由公式計算出的Cskip(d)值,為父設備向子設備分配網(wǎng)絡地址時的偏移值。父設備首先給網(wǎng)絡拓撲中的第一個子簇頭設備分配地址,規(guī)則為比父設備自身地址增1,后續(xù)的子簇頭設備的地址,按照以Cskip(d)為間隔規(guī)則繼續(xù)分配,按照這個原則為拓撲結(jié)構(gòu)中所有子簇頭分配地址。

2.3 移動互聯(lián)網(wǎng)與云技術選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA 系統(tǒng)應用為主,并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應用,通過傳感器監(jiān)測到的關鍵設備的各種實時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h方云服務器,特別是對于區(qū)域廣,布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會變得更加方便和容易。傳輸?shù)皆品掌魃系臄?shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務器存儲,成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)皆品掌鞯臄?shù)據(jù),可以通過智能手機的APP 顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實現(xiàn)。根據(jù)不同用戶的需求和設備使用情況,可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進行數(shù)據(jù)分析,及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),并給予用戶提示或者告警信息,減少及降低設備故障甚至事故的發(fā)生。

3 應用方案綜述

云南馳宏會澤的鉛鋅冶煉廠目前每年生產(chǎn)約10 萬噸鋅和6 萬噸鉛,廠區(qū)內(nèi)包含中低壓配電室50多個,并使用50 個以上的高壓電動機,需要將廠區(qū)內(nèi)的關鍵開關柜及高壓電動機進行智能測溫改造。經(jīng)過技術對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zig-Bee”溫度監(jiān)測系統(tǒng),準確的采集關鍵設備及設備關鍵部位的溫度信號[3],并通過智能網(wǎng)關,接入會澤冶煉分公司既有的光纖通訊網(wǎng)絡,實現(xiàn)網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)共享,通過控制中心的無線測溫監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)溫度信號的實時監(jiān)測,超溫部位及設備精準定位,超溫報警,保證關鍵設備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性,減少及避免潛在事故的風險。并且,依靠云服務的“千里眼”系統(tǒng),實現(xiàn)了測溫信號的移動運維,不僅可以通過智能手機實時監(jiān)控到關鍵設備的溫度,并能在超溫時自動發(fā)出報警信號,及時推送到具體負責人員的智能手機終端,實現(xiàn)高效的問題處理,極大的降低配電裝置及電氣設備事故風險,保證供電可靠性,生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。應用方案的基本架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能測溫系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 無線無源測溫:“溫度傳感器+ZigBee”

經(jīng)過技術對比,選定Easergy TH110 溫度傳感器[4]。其主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 Easergy TH110 溫度傳感器參數(shù)表

Easergy TH110 自供電基于網(wǎng)絡電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監(jiān)測。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護。

TH110 采用ZigBee 節(jié)能型通信協(xié)議,Easergy TH110 確保有可靠和強大的通信能力,可以用來創(chuàng)建共享的操作解決方案。Easergy TH110 自供電基于網(wǎng)絡電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監(jiān)測。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護。TH110 的圖片及在項目應用中的場景如圖3 所示。

圖3 TH110 外觀及應用于開關柜及高壓電動機

比較重要的工藝段相關配電室開關柜及高壓電動機都安裝了TH110 的溫度傳感器,包括粉煤制備、艾薩爐電收塵、鉛熔煉循環(huán)水泵房煙化爐收塵、熔化爐、余熱發(fā)電站(西)、鉛渣過濾干燥、10 kV 鉛鼓風機房等區(qū)間。

3.2 測溫系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

由于測溫傳感器分布區(qū)域廣,數(shù)量多,測溫系統(tǒng)架構(gòu)采用以太網(wǎng)作為主要架構(gòu),并利用既有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡,節(jié)省成本并極大地降低了施工難度。

(1)現(xiàn)場的各TH110 溫度傳感器通過Zigbee 協(xié)議無線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置。

(2)溫度接收裝置通過Modbus RTU 通信協(xié)議將溫度信號傳輸?shù)礁鱾€現(xiàn)場的網(wǎng)關。

(3)網(wǎng)關將協(xié)議裝換為Modbus TCP 規(guī)約,并經(jīng)現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機,通過光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小?/p>

(4)千里眼服務器也接入通信網(wǎng)絡,將各TH110 的測溫數(shù)據(jù)上傳到云平臺,以供智能手機的千里眼APP 使用。以焙燒爐硫酸子系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖4 所示。

3.3 測溫監(jiān)測SCADA

測溫監(jiān)測SCADA 系統(tǒng)選用施耐德EcoStruxure SCADA 軟件,其后臺監(jiān)測工作站放于會冶控制中心內(nèi)。監(jiān)測工作站HMI 界面設計采用簡潔原則設計,按照電力一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃整體HMI 界面。所有區(qū)間測溫傳感器的歷史數(shù)據(jù)都可以通過SCADA 系統(tǒng)顯示出來,便于用戶與實時溫度數(shù)據(jù)相比較。當傳感器測溫數(shù)據(jù)高于設定的報警值,SCADA 系統(tǒng)會發(fā)出報警指示給操作員,并可以定位到具體的設備及安裝部位,方便工程師去現(xiàn)場進行查看及風險評估,消除潛在故障的風險。圖5 為傳感器記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線。

3.4 云平臺“千里眼”系統(tǒng)

千里眼系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)IOT 技術的應用體現(xiàn)之一。圖6 為千里眼APP 應用截圖。IOT 由IT 信息技術和OT 運營技術深度融合,能夠極大的改造電力設備,實現(xiàn)過程和能源的優(yōu)化。本項目中,通過千里眼的應用,將會冶廠區(qū)內(nèi)各安裝TH110 溫度傳感器的開關柜及高壓電動機關鍵設備的溫度數(shù)據(jù)進行處理,為配電設備運行狀態(tài)監(jiān)視、運行維護作業(yè)管理和設備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+”靈活應用方案。而且,千里眼可以提供報警管理,可以根據(jù)嚴重程度區(qū)分不同等級的報警,并通過短信通知用戶,讓用戶在第一時間獲取報警信息,并可以通過手機APP 確認和記錄報警事件,篩選和導出報警信息,形成專門的報告,預防事故及故障的發(fā)生[5]。除了智能手機端顯示溫度型號及提供報警之外,千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能,提高用戶的運維效率及智能化程度。

圖4 焙燒爐硫酸子系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

圖5 溫度歷史數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)語

圖6 千里眼APP 應用截圖

無線測溫系統(tǒng)在云南馳宏會澤鉛鋅冶煉廠的首次智能化測溫改造及應用,配套管理系統(tǒng)及千里眼APP 提供溫度異常告警、實時設備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測及報表、設備狀態(tài)評估等功能,能減少及避免重大因溫度導致故障的發(fā)生。系統(tǒng)運用效果良好,大量減少了運維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精準度。在項目執(zhí)行過程中,因停電時間有限,改造工作復雜,仍有部分設備未能實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測,需要進一步優(yōu)化測溫系統(tǒng)的施工方法,提高安裝效率。其次,隨著技術的發(fā)展和其它傳感器的應用,從不同角度獲得關鍵設備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù),更客觀地進行設備及系統(tǒng)監(jiān)測,作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬物互聯(lián)等新技術的應用,會對運維人員的能力及習慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進一步提高用戶的實際體驗,開發(fā)更多更貼近用戶的功能,比如資產(chǎn)管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應用。