基于嵌入式Web服務(wù)器開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

沈建位，馮穎姣，陳緒杰，黃曉霞，呂曉蓉

(浙江開關(guān)廠有限公司，浙江衢州324000)

基于嵌入式Web服務(wù)器開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

沈建位，馮穎姣，陳緒杰，黃曉霞，呂曉蓉

(浙江開關(guān)廠有限公司，浙江衢州324000)

設(shè)計了開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，對六氟化硫氣體(以下簡稱SF6)微水密度在線監(jiān)測，保證開關(guān)設(shè)備安全運行，方案以LM3S9B90為嵌入式芯片為控制核心，采用傳感器組采集SF6氣體狀態(tài)，判斷氣體泄漏以及微水含量是否超標(biāo)，并通過移植輕量級IP(LwIP)搭建Web服務(wù)器，實現(xiàn)以網(wǎng)頁形式遠(yuǎn)程訪問SF6氣體狀態(tài)以及告警等。實驗表明:該在線監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性強等特點，且滿足了低成本下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制要求。

在線監(jiān)測;LM3S9B90;六氟化硫;微水;密度

1 引言

SF6氣體具有穩(wěn)定的理化性能、優(yōu)良的絕緣性能及優(yōu)異的滅弧性能，在高壓開關(guān)設(shè)備中被廣泛使用。SF6氣體泄漏的同時，開關(guān)設(shè)備外部潮氣也會滲透進(jìn)電器設(shè)備內(nèi)部，引起設(shè)備內(nèi)SF6氣體中微水含量的增加。但是SF6氣體中水分含量嚴(yán)重影響其絕緣情況，會使高壓開關(guān)設(shè)備運行存在安全隱患［2］。目前各個廠家生產(chǎn)的SF6氣體中水分含量和密度在線監(jiān)測系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)離線檢測存在的問題而被廣泛使用，但大多數(shù)采用RS232或RS485與后臺通訊，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。目前，Internet也開始向工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，于是能適用于嵌入式設(shè)備的微型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧應(yīng)用而生。采用LwIP協(xié)議棧并將其移植到處理器中，實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)與PC機之間實時通信，并可遠(yuǎn)程訪問。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于嵌入式Web服務(wù)器SF6氣體微水密度在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。SF6露微水密度變送器通過三通連接GIS設(shè)備密封氣室，通過露點傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器采集到氣體的參數(shù)并經(jīng)過計算得到氣室內(nèi)SF6氣體的微水含量，和密度，將測量的數(shù)據(jù)通過CAN總線送到集中監(jiān)控主機，由集中監(jiān)控主機進(jìn)行判斷處理并顯示，做出相應(yīng)告警，由集中監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)形式將數(shù)據(jù)傳送到PC機，用戶只需通過PC機IE瀏覽器輸入IP地址即可查看，查看當(dāng)前SF6微水含量和氣體密度數(shù)據(jù)，并可查看告警信息，通過參數(shù)設(shè)置頁面可對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改等。

2.1 傳感器模塊

(1)露點傳感器。本系統(tǒng)采用michell密析爾公司的Easidew露點傳感器進(jìn)行露點測量，該傳感器具有自校準(zhǔn)功能，測量精度較高，非常適合露點在線監(jiān)測。通過露點傳感器可得到氣室內(nèi)SF6氣體的露點溫度，為了使監(jiān)測結(jié)果具有較強可比性，利用溫度傳感器和壓力傳感器測得的實時溫度值和壓力值，將微水含量值換算到20℃的值。

圖1 基于嵌入式Web服務(wù)器SF6微水密度在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)飽和水汽壓的簡化公式可得出:

式中，T為SF6氣體露點，K;PW為SF6氣體在露點T時的飽和水汽壓。

則SF6氣體實時含水量為:

式中，PSF6為實時SF6氣體壓力，MPa。

修正到20℃的微水含量為SW20:

式中，SW為實時含水量，μl/L;P20為20℃的SF6氣體壓力，MPa;PW20為20℃的水蒸氣飽和壓力，MPa。

(2)溫度傳感器主要監(jiān)測SF6氣體的溫度，計算SF6氣體的壓力需要溫度這個參量，選用TS系列的溫度傳感器，該傳感器采用PT1000薄膜鉑電阻為敏感件，線性好，精度高，并且采用全金屬密封結(jié)構(gòu)，灌充高絕緣導(dǎo)熱彈性硅膠，適合于SF6氣體的溫度測量場合。非線性誤差為±0.3℃，滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。

(3)考慮到被監(jiān)測SF6開關(guān)設(shè)備的絕對壓力一般不超過8個大氣壓，壓力傳感器選擇靈敏度高、耐腐蝕性好、體積小巧、測量范圍為0～1MPa的擴散硅壓力變送器。在實際工程中，直接監(jiān)測SF6氣體密度難以實現(xiàn)，通常會轉(zhuǎn)化為對其壓力的監(jiān)測，但SF6氣體的壓力會隨溫度發(fā)生變化。因此，為了準(zhǔn)確反映SF6氣體壓力變化是由漏氣還是溫度改變引起的，需要通過溫度補償?shù)男拚椒ǎ瑹o論外界溫度如何變化，始終可計算對應(yīng)20℃的標(biāo)準(zhǔn)壓力，并將該值等效為SF6氣體密度與參考值進(jìn)行比較。SF6氣體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集溫度和壓力兩個特征量，目前最常見的SF6氣態(tài)方程［2］如下:

式中，P為SF6氣體壓力，MPa;t為溫度，K;ρ為SF6氣體密度，kg/m3。系數(shù)A、B分別為:

將式(5)、式(6)代入式(4)，密度單位換算成kg/ L，整理可得到關(guān)于ρ的三次方程:

用牛頓迭代算法求解式(4)可計算出實時溫度的密度值ρ，把ρ和t=293.2K(20℃)代入式(4)，即可算出20℃時的壓力值P20，代入(3)式即可算出20℃的微水含量。

2.2 微控制器模塊

系統(tǒng)傳感器要不斷采集SF6氣體狀態(tài)，要求控制芯片具有較高實時處理能力和較高處理能力，因此系統(tǒng)采用具有ARM先進(jìn)結(jié)構(gòu)的32位CortexTM－M3控制器的單片機。該單片機擁有的豐富的片內(nèi)資源有效地簡化了設(shè)計的復(fù)雜性，集成了ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、CAN控制器以及以太網(wǎng)接口等，減少了外圍器件，其運行速度可達(dá)80M，保證了采樣和數(shù)據(jù)的快速處理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

由于嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，必須具備TCP/IP協(xié)議功能，本系統(tǒng)采用LwIP TCP/IP在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十KB的RAM和ROM就可以運行［1］，本系統(tǒng)選用的LM3S9B90自帶以太網(wǎng)控制器。該以太網(wǎng)控制器由完全集成的、具有媒體獨立接口(MII)的媒體訪問控制器(MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理(PHY)接口。以太網(wǎng)控控制器模塊遵循“IEEE802.3”規(guī)范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX標(biāo)準(zhǔn)。選用帶網(wǎng)絡(luò)變送器RJ45，型號為HR961160C。原理圖如圖2所示。

2.4 嵌入式WEB服務(wù)器技術(shù)

嵌入式Web技術(shù)是通過Web使嵌入式設(shè)備能與終端用戶通信的一種界面技術(shù)［6］。將網(wǎng)頁嵌入設(shè)備中，然后再傳送至Web瀏覽器，即形成用戶界面。嵌入式系統(tǒng)可存儲靜態(tài)頁面信息，也可動態(tài)創(chuàng)建頁面，以及時向用戶反映設(shè)備參數(shù)的變化［7］。嵌入式Web采用標(biāo)準(zhǔn)的http協(xié)議，將頁面從嵌入式設(shè)備傳送至Web瀏覽器，再將html表單的數(shù)據(jù)回傳給設(shè)備。Html網(wǎng)頁實現(xiàn)有多種方法，最簡單的是利用記事本編輯，采用超文本標(biāo)記語言(HTML)編寫，則可實現(xiàn)想要的網(wǎng)頁界面，將JavaScfipt代碼嵌入到html文本文件，實現(xiàn)Web服務(wù)器與用戶動態(tài)交互功能。將所有的網(wǎng)頁html，jpg圖片通過makefsfile運行命令轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件供程序調(diào)用。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信部分原理圖

圖3 嵌入式Web服務(wù)器工作原理圖

3 軟件設(shè)計

基于嵌入式Web服務(wù)器GIS設(shè)備氣體微水密度在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括集中監(jiān)控主機程序和變送器程序。集中監(jiān)控主機采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采樣處理模塊、變送器與主機通信模塊、集中監(jiān)控主機告警顯示模塊、集中監(jiān)控與PC機通信和基于LwIP協(xié)議的Web服務(wù)器實現(xiàn)等，集中監(jiān)控主機軟件流程圖如圖4所示。

3.1 LwIP實現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)端程序

首先利用LwIP的線程創(chuàng)建函數(shù)sys_thread_new ()創(chuàng)建http_server線程，http_server利用netconn_new ()創(chuàng)建一個TCP類型netconn的結(jié)構(gòu)體，然后通過netconn_bind()函數(shù)將netconn與本地IP地址80端口綁定，具體過程如圖5所示，該過程形成一個循環(huán)。

圖4 集中監(jiān)控主機軟件流程圖

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)通過網(wǎng)線可以連接到任何PC，而不需要后臺軟件，只需輸入在線監(jiān)測系統(tǒng)的IP地址，如http:// 192.16.47.99則可打開如下圖所示網(wǎng)頁，用戶可以通過網(wǎng)頁查看SF6氣體微水含量和密度以及告警信息，用戶還可以修改參數(shù)等。實驗表明:該在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測SF6氣體微水和密度，且可遠(yuǎn)程訪問控制。

圖5 初始化及監(jiān)聽流程圖

圖6

［1］韓小濤，尹項根.嵌入式WEB服務(wù)器技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(5):53－62.

［2］李明蕓，江秀臣.組合電器中微水含量在線監(jiān)測實驗研究［J］.2004，30(3):32－33.

［3］宋錦剛.基于TMS320F281 2的SF6氣體參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］，電工技術(shù)，2008(12):57－59.

［4］袁峰，徐洪.采用露點法的SF6微水含量變送器［J］.高壓電器，2010，46(12).

［5］李振波，徐丹輝.機電一體化SF6密度變送器［J］.儀表技術(shù)與傳感器.2009(12):41－43.

［6］謝志文.基于LwIP的嵌入式WEB服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2014(4):306－307.

［7］鄭希.基于嵌入式Web服務(wù)器的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(15):39.

The Switch Equipment Remote Monitoring System Based on Web Service

SHEN Jian-wei，F(xiàn)ENG Ying-jiao，CHEN Xu-jie，HUANG Xiao-xia，LV Xiao-rong
(Zhejiang Switchgear Factory Co.，Ltd，Quzhou 324000，China)

In order to ensure the safe operation of the high voltage electrical equipment，the switch equipment remote monitoring system is designed.It mainly monitors SF6gas's moisture content and density The design based on the embedded chip LM3S9B90 uses the sensor groups to acquire SF6gas state to judge alarm，which leakgae and micro-water content.the web server is built by the transplantation of TCP/IP protocol stack LwIP.Then the SF6gas's moisture and density data can be presented for user in web page.The results show the monitoring system but has such advantages as high accuracy，good stability，it also meets the low-cost remote data transmission and under control requirements.

on-line monitoring;LM3S9B90;SF6;micro-water conten;density

TM76

B

1004－289X(2016)04－0030－04

2016－03－24

沈建位(1973－)，男，從事高壓電器智能化產(chǎn)品研發(fā);馮穎姣(1983－)，女，碩士，主要從事高壓電器智能化產(chǎn)品研發(fā)工作。