基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的電纜溝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

韓 釗，散齊國，周霖軒，黎 平

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西宜春 330603）

我國城市化進(jìn)程逐步推進(jìn)，架空輸電已不能滿足城市輸電的需要，高壓輸電線路對高層建筑居民安全構(gòu)成威脅，影響城市的美觀[1]。地下電纜傳輸周圍環(huán)境條件會(huì)影響電力傳輸，線纜溝易積水、潮濕，長時(shí)間浸入水中或在濕度過大的環(huán)境下使用的高壓電纜[2]易折斷線纜頭部，長期對居民的人身安全構(gòu)成威脅。靠人逐條檢查電纜溝，檢查工作難度大、實(shí)時(shí)性差、效率低，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題[3]。利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電纜溝環(huán)境狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測，以GPRS技術(shù)為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，并可接入互聯(lián)網(wǎng)。盡管該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，但由于其周圍環(huán)境的影響，監(jiān)測效果仍不理想[4]。為此，對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)電纜溝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究和應(yīng)用，以求有效、積極地推動(dòng)其健康有序發(fā)展。對基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜溝智能監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對其關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電纜溝環(huán)境及電纜線運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與在線分析，能夠有效地預(yù)防和控制電纜溝的安全事故，發(fā)揮良好的預(yù)警功能，對提高電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義[5-7]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電纜溝環(huán)境狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測本系統(tǒng)對不同地理位置的電纜進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握電纜狀況。對電纜溝中的異常現(xiàn)象能及時(shí)、快速地進(jìn)行處理[8-10]。圖1 為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括以下幾層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)管理層和電力供應(yīng)層。伴隨著城市電網(wǎng)接線率的不斷提高，電纜溝管理與維護(hù)問題日益突出[11]。

感應(yīng)器檢測外部環(huán)境狀態(tài)，將電纜溝中溫度、濕度、易燃?xì)怏w濃度、液位等環(huán)境狀態(tài)的物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的模擬量。在模擬量采集模塊中，對多個(gè)傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)理電路處理，然后根據(jù)RS-485 網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行輸出[12]。

模擬量采集模塊包括多種數(shù)據(jù)采集通道，對傳感器輸出的模擬量進(jìn)行采集[13]。模擬采集模塊內(nèi)嵌了標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 協(xié)議，便于擴(kuò)展模塊到RS-485 總線和多個(gè)模擬采集模塊RS-485 接口并行連接到RS-485 總線上。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在電纜溝環(huán)境變化時(shí)，能根據(jù)環(huán)境變化及時(shí)啟動(dòng)受控設(shè)備。現(xiàn)場環(huán)境的變化將實(shí)時(shí)通知維修人員，以方便維修人員使用。為發(fā)生事故做好準(zhǔn)備，從而及時(shí)排除故障[14-15]。圖2 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)及人機(jī)接口主要完成數(shù)據(jù)采集處理及圖形顯示，該控制器以PLC 邏輯控制器為核心，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。就實(shí)際應(yīng)用而言，可處理多個(gè)連續(xù)的變換量，通過多次下載、擦除、寫入程序，對采集層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該控制器根據(jù)程序中設(shè)定的控制邏輯輸出控制信號，以實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)備的控制。

2.1 傳感器選型

1）溫度與濕度監(jiān)測

電纜溝溫濕度檢測采用北京興義傳感科技有限公司生產(chǎn)的CWS16 型溫濕變送器。CWS16 型溫濕度傳感器是用于工業(yè)生產(chǎn)中溫濕度檢測的傳感器，能同時(shí)檢測濕度、溫度，并輸出信號[16]。

2）可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測

導(dǎo)致爆炸的原因是電纜溝內(nèi)沼氣積聚，沼氣濃度增高所致，當(dāng)混合空氣濃度達(dá)到爆炸極限濃度后，就會(huì)發(fā)生爆炸。出現(xiàn)爆炸的氣體主要為沼氣，其成分為甲烷，因此，檢測結(jié)果為甲烷。

3）液位監(jiān)測

選用CYW11 通用型液位計(jì)，采用差壓原理，實(shí)現(xiàn)了CYW11 通用輸入變送器的液位檢測。當(dāng)傳感器被放置到需要測量的液體深度時(shí)，傳感器的探針接收到液體的表面壓力值，管道向變送器正壓室注入接收到的壓力，在液面上的氣壓與變送器的負(fù)壓室相連，通過負(fù)壓室所受壓力來測量液面的高度。

感應(yīng)器輸出電流信號和模塊接線如圖3 所示。

將采集到的信號轉(zhuǎn)換為RS-485 網(wǎng)絡(luò)信號形式，該模塊包含多個(gè)獨(dú)立配置頻道，每個(gè)頻道都支持信號輸入，基本覆蓋了傳感器輸出的各種信號。需要采集電流時(shí)，只需打開ADAM-4117 模塊蓋并設(shè)置跳線，使用十分方便。

圖3 傳感器輸出電流信號與模塊接線

2.2 RS-485總線網(wǎng)絡(luò)

RS-485總線克服了RS-232總線傳輸距離短、速度慢的缺點(diǎn)，可使傳輸速率提高至10 Mbps。在此基礎(chǔ)上，采用了RS-485總線主從式移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

ADAM-4117 模塊完成模擬采集、A/D 轉(zhuǎn)換等功能，并在各采集通道上實(shí)現(xiàn)RS-485 信號輸出的隔離。不同模塊都包含了不同地址，且不同傳感器中都具有多條數(shù)據(jù)采集通道。RS-485 串行總線通過將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3 系統(tǒng)軟件功能

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要窗口。該系統(tǒng)接收、儲存、分析和管理不同地點(diǎn)電纜溝收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。在配置網(wǎng)絡(luò)軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了電纜溝環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分。選型完成后，需要設(shè)計(jì)控制程序，實(shí)現(xiàn)控制功能，主要根據(jù)各功能模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

3.1 氣體監(jiān)測程序流程

圖4 為氣體監(jiān)控程序的流程，在程序啟動(dòng)運(yùn)行后，首先采集需要的信號，主要有變頻信號、風(fēng)機(jī)狀態(tài)信號、氣體檢測信號。執(zhí)行計(jì)劃的過程中，首先監(jiān)視每個(gè)信號燈。若有信號，表示系統(tǒng)工作正常；無信號時(shí)，人機(jī)界面上相應(yīng)的指示燈提示工作人員及時(shí)對故障部件進(jìn)行檢修。

3.2 溫度監(jiān)測程序流程設(shè)計(jì)

分析電纜溝會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)的具體原因，并在發(fā)生火災(zāi)時(shí)檢測出現(xiàn)的危險(xiǎn)信號，由此獲取的危險(xiǎn)信號為火災(zāi)前電纜溝溫度模擬信號和煙氣模擬信號。在電纜溝中，由于傳輸功率較大，電纜溝中的溫度信號往往大于零，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面顯示。

3.3 液位監(jiān)測程序流程設(shè)計(jì)

圖4 氣體監(jiān)測程序流程

液位監(jiān)測主要是實(shí)現(xiàn)電纜溝排水系統(tǒng)的智能化功能，包括信號采集、故障報(bào)警、信號識別、水泵啟動(dòng)和停止。由于電纜溝的原因，在采集水位信號時(shí)水渠被監(jiān)測，因此水渠中的水低于某一值，即電纜不浸沒時(shí)，水泵不啟動(dòng)。因此，在程序執(zhí)行過程中，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測儲存的液位信號寄存器。在記錄中無數(shù)值時(shí)，可將其視為水位傳感器故障。采用信號處理的方法，主要是通過比較液位計(jì)的安全水位來控制泵的啟動(dòng)與停止。

4 設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試

為了驗(yàn)證基于移動(dòng)因特網(wǎng)的電纜溝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用原理、性能指標(biāo)及安裝質(zhì)量，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，設(shè)備調(diào)試期、操作人員的人身安全和生產(chǎn)效率直接影響著調(diào)試工作的效率。

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

設(shè)計(jì)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能主要分為兩部分，一個(gè)是直接將監(jiān)測數(shù)據(jù)值顯示在屏幕上，另一個(gè)是通過趨勢曲線實(shí)時(shí)顯示。將網(wǎng)絡(luò)配置為查看模式后，進(jìn)入界面。通過下拉菜單或按鈕可選擇電纜溝監(jiān)控畫面和電纜溝曲線畫面。在屏幕上進(jìn)行查詢，使系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

4.2 氣體監(jiān)測結(jié)果分析

為了調(diào)試方便，風(fēng)機(jī)放置在調(diào)試場地的電纜通道中，空間較大，將電扇連接在一起并固定好。風(fēng)扇送風(fēng)安裝完成后，用手持風(fēng)扇對傳感器采集量進(jìn)行校準(zhǔn)。圖6 顯示了使用不同系統(tǒng)的監(jiān)視結(jié)果。

圖5 電纜溝實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面

圖6 不同系統(tǒng)氣體監(jiān)測結(jié)果分析

由圖6 可知，使用人工監(jiān)測方法監(jiān)測到的氣體濃度最小為2.2%，最大為2.65%，與實(shí)際值偏差較大。使用基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的氣體濃度與實(shí)際值偏差也相對較大，而使用基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測結(jié)果較為精準(zhǔn)。

4.3 溫度監(jiān)測結(jié)果分析

報(bào)警溫度是在溫度監(jiān)測和火警模塊試驗(yàn)之前設(shè)定的。在同一封閉空間內(nèi)放置標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和溫度傳感器，以調(diào)節(jié)封閉空間的溫度。表1 顯示了使用不同系統(tǒng)的監(jiān)視結(jié)果。

表1 不同系統(tǒng)溫度監(jiān)測結(jié)果分析

使用人工監(jiān)測和基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法溫度監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定偏差，尤其是人工監(jiān)測方法誤差較大，最大誤差為7.5 ℃；使用基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)值27.5 ℃附近波動(dòng)，誤差較小，甚至可以忽略不計(jì)。

4.4 液位監(jiān)測結(jié)果分析

在現(xiàn)場安裝了液面監(jiān)測傳感器和水池排水泵，并通過監(jiān)測水位來實(shí)現(xiàn)程序設(shè)定的排水功能。圖7顯示了使用不同系統(tǒng)的監(jiān)視結(jié)果。

圖7 不同系統(tǒng)液位監(jiān)測結(jié)果分析

由圖7 可知，使用基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)液位監(jiān)測結(jié)果較為精準(zhǔn)，而使用其余兩種方法監(jiān)測結(jié)果不精準(zhǔn)，尤其是人工監(jiān)測方法出現(xiàn)液位差較大，這種結(jié)果容易給系統(tǒng)造成一定假象，甚至出現(xiàn)安全事故問題。

5 結(jié)束語

移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)電纜溝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用多種先進(jìn)技術(shù)，是一個(gè)技術(shù)研究項(xiàng)目。該系統(tǒng)充分考慮了對安全性、可靠性的要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期要求，本系統(tǒng)研制成功，運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)的建立是為了及時(shí)監(jiān)測和處理移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的惡意程序，并結(jié)合有關(guān)部門發(fā)現(xiàn)的惡意代碼等數(shù)據(jù)，不斷完善系統(tǒng)功能，進(jìn)一步遏制移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上惡意程序的蔓延。

在監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方面，還存在一些不足，例如圖案缺乏立體感。組態(tài)網(wǎng)動(dòng)畫效果的更多功能可在以后的開發(fā)工作中結(jié)合使用，需要進(jìn)一步改進(jìn)。