基于GIS室SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)的西門子S7-1200PLC的應(yīng)用

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 王松亭 馬 超 孔祥飛 何 方 金東義 馬 勇

沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉麗紅

華晨寶馬汽車有限公司 邱士鐸

1 GIS室SF 6在線監(jiān)控系統(tǒng)的意義

高壓開(kāi)關(guān)是發(fā)電廠、變電站的重要設(shè)備之一，為了能夠安全可靠地將電力送到國(guó)家電網(wǎng)，必須確保高壓開(kāi)關(guān)等設(shè)備工作正常、可靠運(yùn)行。在高壓開(kāi)關(guān)GIS設(shè)備中，高壓開(kāi)關(guān)氣室保護(hù)氣體SF6的密度及水含量都對(duì)高壓開(kāi)關(guān)是否能夠安全運(yùn)行起著非常重要的作用，因此，需要對(duì)高壓開(kāi)關(guān)GIS設(shè)備中SF6氣體的密度及水含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在高壓開(kāi)關(guān)保護(hù)氣體SF6的各項(xiàng)參數(shù)中，水含量是其中十分重要的一項(xiàng)指標(biāo)。為此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8905《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則》、GB7674《72.5KV及以上氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備》中對(duì)氣體的水分含量規(guī)定如表1所示：

表1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SF6氣體水分含量的規(guī)定

從表1中可以看到，正常運(yùn)行的高壓開(kāi)關(guān)氣體中，水分的含量是很低的。因此，在行業(yè)中一般稱為氣體的微水含量檢測(cè)。氣體中微量水分對(duì)高壓開(kāi)關(guān)的影響是很大的，主要表現(xiàn)在：水分含量超標(biāo)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)絕緣性能下降，導(dǎo)致高壓擊穿；因絕緣能力下降在兩端電極附近產(chǎn)生局部放電，時(shí)間久了導(dǎo)致貫通性閃絡(luò)；直接影響高壓開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能。

同樣，為了保證高壓開(kāi)關(guān)正常工作，必須保證高壓開(kāi)關(guān)保護(hù)氣SF6的密度不低于某一數(shù)值，因此，需要對(duì)高壓開(kāi)關(guān)SF6氣體的密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在SF6氣體密度的測(cè)量上，傳統(tǒng)的方法常采用指針式儀表，靠現(xiàn)場(chǎng)工作人員人工讀取數(shù)據(jù)，其缺點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確度差，讀數(shù)十分不便，并且可能會(huì)由于工作人員的疏忽，產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀數(shù)，同時(shí)也不便于測(cè)量數(shù)據(jù)的集中管理。

因此，設(shè)計(jì)一套能集中實(shí)時(shí)檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)中SF6保護(hù)氣壓力、溫度、密度、微水含量以及配電室環(huán)境中SF6氣體的濃度、氧氣含量、環(huán)境的溫濕度、是否有人員進(jìn)入等參數(shù)為一體，具備自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)，同時(shí)能夠通過(guò)有線、和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的在線監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的，本系統(tǒng)就是專門為了解決上述問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

2 系統(tǒng)組成及功能

2.1 系統(tǒng)組成

GIS室SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集顯示單元、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元、報(bào)警控制單元、數(shù)據(jù)傳輸管理單元。數(shù)據(jù)采集顯示單元由監(jiān)控主機(jī)、可編程控制器組成，安裝在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控柜中；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元由SF6氣體微水含量變送器、SF6氣體密度變送器、SF6氣體濃度變送器、氧氣含量變送器、溫濕度變送器、紅外傳感器等組成，安裝在高壓開(kāi)關(guān)氣體檢測(cè)接口和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中；報(bào)警控制單元由控制繼電器、報(bào)警接點(diǎn)、閃光報(bào)警器、現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇組成，安裝在現(xiàn)場(chǎng)控制箱中和大門入口處；數(shù)據(jù)傳輸管理單元由上位工控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接、GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、管理計(jì)算機(jī)等組成，分別安裝在高壓開(kāi)關(guān)室現(xiàn)場(chǎng)、廠區(qū)內(nèi)主控室或?qū)９まk公室、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 數(shù)據(jù)采集顯示單元

數(shù)據(jù)采集顯示單元由監(jiān)控主機(jī)、可編程控制器兩部分組成。

可編程控制器采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元中各變送器傳送來(lái)的壓力、溫度、露點(diǎn)以及配電室環(huán)境中SF6氣體的濃度、氧氣含量、環(huán)境的溫濕度、是否有人員進(jìn)入等參數(shù)。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、數(shù)字濾波等操作，通過(guò)壓力、溫度兩個(gè)參數(shù)計(jì)算得到SF6氣體的密度值，通過(guò)壓力、溫度、露點(diǎn)三個(gè)參數(shù)計(jì)算得到SF氣體的微水含量值。

通過(guò)光纖、光電收發(fā)器、網(wǎng)卡與上位計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)有線通訊，使主控室、專工辦公室的技術(shù)人員能夠及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)與專用的GSM無(wú)線通訊模塊連接，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及報(bào)警數(shù)據(jù)，以短消息的形式發(fā)送出去，在遠(yuǎn)端的另一GSM無(wú)線通訊模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送給與之相連的管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。同樣，管理計(jì)算機(jī)發(fā)布的各種檢測(cè)及控制的命令，也可以通過(guò)GSM無(wú)線通訊模塊，以短消息的形式發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元由六種傳感器組成，分別是：SF6氣體微水含量變送器、SF6氣體密度變送器、SF6氣體濃度變送器、氧氣含量變送器、溫濕度變送器、紅外傳感器。

微水變送器主要檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)SF6保護(hù)氣體的溫度、壓力、露點(diǎn)，并將溫度、壓力、露點(diǎn)的數(shù)值以4～20mA的形式傳送至數(shù)據(jù)采集顯示單元的可編程控制器，在可編程控制器中進(jìn)行判斷、數(shù)字濾波，最終計(jì)算出SF6氣體的密度及微水含量值。

密度變送器主要檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)SF6保護(hù)氣體的溫度、壓力，并將溫度、壓力的數(shù)值以4～20mA的形式傳送至數(shù)據(jù)采集顯示單元的可編程控制器，在可編程控制器中進(jìn)行判斷、數(shù)字濾波，最終計(jì)算出SF6氣體的密度值。

SF6氣體濃度變送器檢測(cè)GIS室空氣中SF6氣體的濃度，氧氣含量變送器檢測(cè)GIS室空氣中氧氣的含量，溫濕度變送器檢測(cè)環(huán)境的溫濕度，并分別以4～20mA的形式傳送至數(shù)據(jù)采集顯示單元的可編程控制器。

紅外傳感器檢測(cè)是否有人員進(jìn)入配電室，當(dāng)沒(méi)有人員進(jìn)入配電室時(shí)，傳感器的輸出節(jié)點(diǎn)為常開(kāi)，當(dāng)有人員進(jìn)入配電室時(shí)，傳感器的輸出節(jié)點(diǎn)閉合。紅外傳感器將輸出的節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集顯示單元的可編程控制器，當(dāng)檢測(cè)到有人員進(jìn)入時(shí)，將啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)。

2.2.3 報(bào)警控制單元

報(bào)警控制單元由控制繼電器、報(bào)警接點(diǎn)、閃光報(bào)警器、現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇組成。

報(bào)警控制單元主要接收數(shù)據(jù)采集顯示單元中可編程控制器的控制信號(hào)，當(dāng)可編程控制器檢測(cè)到SF6氣體的密度、微水含量、環(huán)境中SF6氣體的濃度、氧氣含量的數(shù)值達(dá)到報(bào)警限時(shí)，輸出相應(yīng)的報(bào)警控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警接點(diǎn)、閃光報(bào)警器、現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇的控制操作。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸管理單元

數(shù)據(jù)傳輸管理單元包括有線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)部分。

有線數(shù)據(jù)傳輸由上位計(jì)算機(jī)、光纖、光電收發(fā)器、網(wǎng)卡等部分組成，數(shù)據(jù)采集顯示單元中的監(jiān)控主機(jī)和上位計(jì)算機(jī)之間通過(guò)光纖連接，通過(guò)局域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)有線通訊。監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)的微水、密度、環(huán)境中SF6氣體濃度、氧氣含量、溫濕度等參數(shù)傳送給上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)能夠以表格、趨勢(shì)曲線圖、狀態(tài)圖、工藝圖等不同的形式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、報(bào)警指示以及數(shù)據(jù)打印等功能；能夠很方便地按日期、按條件進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的查詢；可方便地查詢排風(fēng)扇的開(kāi)停狀態(tài)，以及排風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止記錄。同時(shí)，以Web發(fā)布的形式，在局域網(wǎng)內(nèi)將顯示頁(yè)面發(fā)布。使企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都能看到實(shí)時(shí)的各種數(shù)據(jù)，便于企業(yè)管理。

3 工作原理

組成系統(tǒng)的四個(gè)部分有機(jī)地結(jié)合成為一體，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元將檢測(cè)到的各個(gè)參數(shù)數(shù)值傳送給數(shù)據(jù)采集顯示單元，數(shù)據(jù)采集顯示單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示，并根據(jù)報(bào)警情況，控制報(bào)警控制單元實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制、啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇等操作，數(shù)據(jù)傳輸管理單元負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集顯示單元傳送的數(shù)據(jù)，并將測(cè)控命令傳送給采集顯示單元。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)變送器

本系統(tǒng)中的所有變送器均采用4～20mA模擬信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸出形式，組成通用、穩(wěn)定的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，

3.1.1 SF6密度變送器

SF6密度變送器包括一個(gè)壓力變送器和一個(gè)溫度變送器兩個(gè)部分，分別以輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的形式測(cè)量出氣體的壓力和溫度，兩路信號(hào)經(jīng)雙層屏蔽雙絞線傳輸至可編程邏輯控制器（PLC)的A/D采集單元。由于在行業(yè)中，常用20℃時(shí)氣體的壓力代表氣體的密度，因此在本系統(tǒng)也采用20℃時(shí)氣體的壓力代表密度(即P20值)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)PLC計(jì)算即得到SF6氣體的密度值。

3.1.2 SF6微水變送器

SF6微水變送器包含進(jìn)行溫度修正的溫度變送器、檢測(cè)氣體壓力的壓力變送器、檢測(cè)氣體微水含量的露點(diǎn)變送器三個(gè)部分。輸出的三路4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)雙層屏蔽雙絞線傳輸至PLC的A/D采集單元。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)計(jì)算得到微水和密度（P20）值。

3.2 可編程控制器

本系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-1200 CPU及其擴(kuò)展模塊，完成現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)微水、密度、SF6氣體濃度、氧氣含量、溫濕度、是否有人員進(jìn)入等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；根據(jù)所檢測(cè)到的壓力、溫度、露點(diǎn)的數(shù)值，通過(guò)公式計(jì)算出SF6氣體的密度值和微水含量值；根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)情況，發(fā)出報(bào)警顯示信號(hào)和報(bào)警控制信號(hào)；與上位計(jì)算機(jī)通訊，將數(shù)據(jù)傳送給上位計(jì)算機(jī)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)到目前為止已在我國(guó)電力行業(yè)公司國(guó)電，華電，國(guó)華，大唐所屬的電廠及變電站，以及平頂山高壓開(kāi)關(guān)公司，廈門ABB高壓開(kāi)關(guān)公司，西安高壓開(kāi)關(guān)廠，沈陽(yáng)新東北電氣高壓開(kāi)關(guān)公司等生產(chǎn)企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息，效果非常好，節(jié)省了人力物力，提高了可靠性，并為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，取得良好的社會(huì)效益。

下面以國(guó)華太倉(cāng)電廠GIS室SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)為例對(duì)其系統(tǒng)應(yīng)用加以說(shuō)明。國(guó)華太倉(cāng)電廠GIS室安裝SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)一套，包括：1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、1套PLC及擴(kuò)展單元、68臺(tái)SF6密度變送器、16臺(tái)SF6微水變送器、8臺(tái)SF6濃度變送器，8臺(tái)氧氣含量變送器、1臺(tái)溫濕度變送器，組成一套完整的SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)安裝以前，現(xiàn)場(chǎng)有幾十個(gè)值班運(yùn)行人員倒班工作，每天值班人員都要去現(xiàn)場(chǎng)巡視幾回，記錄現(xiàn)場(chǎng)指針表的讀數(shù)，并針對(duì)不同氣室的讀數(shù)按照工藝進(jìn)行計(jì)算分析，工作量很大，有時(shí)還會(huì)由于人為的因素產(chǎn)生較大的誤差。該系統(tǒng)安裝以后，現(xiàn)場(chǎng)值班人員已經(jīng)縮減不到十名，也不需要倒班工作，值班人員也不用每天都去現(xiàn)場(chǎng)巡視，只需在主控室查看現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)即可掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的使用，減少了值班人員，減少了工作中的誤差，為電廠帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)投入運(yùn)行至今，已經(jīng)三年多的時(shí)間了，在運(yùn)行中，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。

GIS室SF6在線監(jiān)測(cè)對(duì)電力行業(yè)、電廠以及高壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家的安全生產(chǎn)，保障現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工作人員的身體健康，提升自動(dòng)化水平都有著重要的意義。

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，電力的需求也必將迅速增加，必然會(huì)新建更多的電廠、變電站，GIS室SF6在線監(jiān)控系統(tǒng)必然有廣泛的應(yīng)用前景。

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