高 霞

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，電路的連接與斷開都是由觸頭動作完成的，因此電觸頭的工作狀態(tài)和工作性能對電能供應(yīng)的質(zhì)量具有重要影響。由于觸頭動作頻繁、接觸面容易受到外界異物污染等原因，易導(dǎo)致動靜觸頭連接處電阻增大、觸頭溫度過高，進(jìn)而引發(fā)相關(guān)電氣設(shè)備燒毀等事故，因此在日常維護(hù)中對觸頭溫度的在線監(jiān)測十分重要，運(yùn)行維護(hù)人員通過無線測溫裝置進(jìn)行實時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查詢，可以對觸頭的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而提前采取措施，防止觸頭溫升過高而引起的各類事故。

1 無線測溫保護(hù)系統(tǒng)

1.1 無線測溫保護(hù)裝置功能

無線測溫保護(hù)裝置具有數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和存儲、數(shù)據(jù)顯示、報警5大功能。數(shù)據(jù)測量指的是通過安裝在觸頭上的溫度傳感器實時測量該觸頭的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸包含兩方面，一是現(xiàn)場接收裝置通過無線傳輸?shù)姆绞浇邮諟囟葌鞲衅鳒y出的數(shù)據(jù)，二是現(xiàn)場接收裝置通過RS-485傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控主機(jī)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)處理和存儲指的是后臺監(jiān)控主機(jī)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲。數(shù)據(jù)顯示指的是在后臺監(jiān)控主機(jī)上能夠顯示溫度曲線。報警指的是當(dāng)觸頭溫度達(dá)到或超過設(shè)定最高限值時，監(jiān)控主機(jī)向值班人員發(fā)出聲光報警等。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

(1) 單套裝置測溫范圍覆蓋數(shù)組開關(guān)柜，具有較高的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

(2) 工作電源取自主電路，無需額外電源。

(3) 溫度數(shù)據(jù)更新周期小于3 min。

(4) 具有聲音報警、圖像報警和短信報警功能。

2 無線測溫保護(hù)系統(tǒng)電路設(shè)計

無線測溫系統(tǒng)包括開關(guān)柜內(nèi)溫度測量裝置、現(xiàn)場數(shù)據(jù)接收裝置和后臺監(jiān)控機(jī)，溫度測量裝置是系統(tǒng)的核心部分。如圖1所示，溫度測量裝置由數(shù)字溫度傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊和無線收發(fā)模塊構(gòu)成。

圖1 溫度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊選擇以CC1020為核心的集成模塊SRWF-501-50，CC1020是一種超高頻、低功耗的單芯片收發(fā)器，其輸出功率、頻率等可以通過串口進(jìn)行編程控制。SRWF-501-50為上海桑銳公司生產(chǎn)的微功率無線通信模塊，該模塊抗擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，使用時無需編碼，使用ISM(工業(yè)、科研及醫(yī)療)頻帶(無需額外申請)，有標(biāo)準(zhǔn)UART接口和自定義RS232或RS485接口，用戶通過斷電時改變短路器狀態(tài)，重新上電后即可在兩種接口間轉(zhuǎn)換。

SRWF-501-50模塊有兩個串口，分別可以和單片機(jī)UART、PC機(jī)RS232連接通信，3腳為TTL電平的串行數(shù)據(jù)接收端，4腳為TTL電平的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，使用時通過數(shù)據(jù)線分別與單片機(jī)TXD發(fā)送端、RXD接收端連接，然后用電源線連接電源即可。SRWF-501-50無線收發(fā)模塊與單片機(jī)的接口電路如圖2所示，與PC機(jī)RS232接口連接時與此類似。

圖2 SRWF-501-50無線收發(fā)模塊的接口電路圖

2.2 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)模塊選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51型單片機(jī)，這是一款低功耗、高性能的8位單片機(jī)，在指令系統(tǒng)和引腳結(jié)構(gòu)方面兼容80C51單片機(jī)。單片機(jī)的外圍電路有時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路等。89S51單片機(jī)提供外部時鐘和內(nèi)部時鐘兩種模式，本設(shè)計采用外部時鐘，選用11.059 2 MHz石英晶體、30 pF外接電容。復(fù)位電路采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位混合復(fù)位方式。電源電路選擇5 V干電池直接向單片機(jī)供電。

2.3 數(shù)字溫度傳感器模塊

數(shù)字溫度傳感模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20型傳感器，這是一款低功耗、小體積的一線式數(shù)字溫度傳感器，能夠?qū)⒉杉降臏囟葦?shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便微機(jī)處理，其集成式的電路結(jié)構(gòu)降低了設(shè)計和調(diào)試成本。圖3為DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20的接口電路非常簡單，可以與單片機(jī)IO口直接連接，圖4為測溫裝置的電路圖，圖中展示了DS18B20與單片機(jī)AT89S51的接口連接方式。DS18B20有三個引腳，GND為電源接地引腳，VDD為外接電源供電引腳，供電電壓為3.0 V～5.5 V，DQ為數(shù)據(jù)引腳，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過這個引腳雙向傳輸。DS18B20的供電方式有兩種，一種是外接電源方式，一種是寄生供電方式，通過數(shù)據(jù)線向芯片供電，這種方式簡化了硬件接線，降低了復(fù)雜度。

圖4 測溫裝置電路圖

3 無線測溫保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為兩部分：①下位機(jī)軟件，主要是單片機(jī)測溫程序；②上位機(jī)軟件，主要是后臺監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)控軟件。單片機(jī)程序采用51系列C語言開發(fā)環(huán)境Keil Vision 3，相比于匯編語言可讀性差、移植困難，采用C語言編輯的單片機(jī)程序可移植性高，方便開發(fā)人員調(diào)試和維護(hù)。

圖5為單片機(jī)測溫程序流程。測溫程序是根據(jù)DS18B20的測溫協(xié)議進(jìn)行編寫的，在啟動溫度轉(zhuǎn)換之前首先由單片機(jī)向DS18B20發(fā)出復(fù)位脈沖，對其進(jìn)行初始化，等收到返回的應(yīng)答脈沖后初始化完成，然后進(jìn)行ROM操作和內(nèi)存操作，啟動溫度檢測，延時1 s后就可以讀取溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼存儲在ROM的前兩個字節(jié)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)接口由低位向高位進(jìn)行讀取。數(shù)據(jù)讀取完成后由單片機(jī)對數(shù)據(jù)打包，然后通過串口發(fā)送到無線收發(fā)模塊。

圖5 單片機(jī)測溫程序流程

后臺監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)控軟件采用Visual C++ 6.0進(jìn)行編程，這是一種以面向?qū)ο蟮腃++語言為基礎(chǔ)的可視化集成開發(fā)環(huán)境。Visual C++ 6.0具有功能豐富的MFC類庫，能夠最大程度上減少代碼數(shù)量，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。后臺監(jiān)控軟件設(shè)計包括監(jiān)控界面設(shè)計、串口通訊程序設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計等。圖6為后臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

4 應(yīng)用分析

4.1 靈敏度試驗和誤差分析

為保證所采集觸頭溫度數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，需要對本裝置進(jìn)行靈敏度試驗和誤差分析。靈敏度分析是通過快速改變測溫裝置所處的環(huán)境溫度實現(xiàn)的，從4 ℃到20 ℃，測溫裝置得到溫度數(shù)據(jù)時間為15 min左右。誤差分析是通過水銀溫度計與本裝置的測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，本裝置所測數(shù)據(jù)與水銀溫度計所測數(shù)據(jù)的絕對誤差不大于2 ℃，平均相對誤差不大于1%，處于可以接受的范圍之內(nèi)。

4.2 觸頭溫升分析

本裝置用于礦井高壓防爆開關(guān)觸頭溫度在線測量一段時間后，能夠及時準(zhǔn)確地對各類型溫度超限的觸頭發(fā)出超溫報警，經(jīng)過對超溫報警觸頭的檢查和處理，總結(jié)出高壓防爆開關(guān)觸頭發(fā)熱的原因如下：

(1) 觸頭的灼燒、振動、氧化和碰撞等原因都會造成動靜觸頭間接觸電阻增大，最終導(dǎo)致溫升超限。

(2) 負(fù)載電流過大而開關(guān)設(shè)備容量不足。

(3) 觸頭動作頻率過高，頻繁操作觸頭會導(dǎo)致觸頭損壞。

(4) 開關(guān)柜所處環(huán)境溫度高，沒有主動散熱裝置，散熱不佳。

(5) 電源電壓低。

(6) 觸頭形變。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的無線測溫保護(hù)裝置將數(shù)字信號溫度傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，能夠在保證值班工作人員安全的情況下對位于高壓開關(guān)柜內(nèi)的防爆開關(guān)觸頭進(jìn)行在線溫度監(jiān)測，避免了值班人員手動進(jìn)行紅外測量時遮擋觸頭位置、數(shù)據(jù)量少和精度低的缺點，后臺機(jī)可以對所有安裝測溫裝置的觸頭溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，提高了值班人員的工作效率。