基于PLC和傳感器的高壓微機遠程監測研究

摘 要：為實現低功耗、高穩定性高壓微機遠程監測，設計并實現了一套基于傳感器的高壓微機遠程監測系統。根據系統需求將系統整體框架分為溫濕度采集器、集中器、客戶端、上位機4個部分，進行了系統硬件選型和軟件設計，重點設計了高壓微機溫度傳感器和濕度傳感器，對所設計的溫濕度傳感器和系統進行了驗證測試。結果表明，所設計的溫度傳感器在溫度為20～100 ℃時，具有良好的溫度敏感特性，可快速響應溫度變化；所設計的濕度傳感器對濕度的敏感性良好，靈敏度為0.647，線性度R 2 為0.952，可快速響應濕度變化。

關鍵詞：溫度傳感器；濕度傳感器；高壓微機；遠程監測

中圖分類號：TP212.9；TQ016.5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0053-04

Research on high voltage microcomputer real timemonitoring based on PLC and sensors

PAN Minghao，DONG Jianwu

（Wuhan Steel（Wuhan）Tin Plate Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

Abstract：In order to achieve low power consumption and high stability remote monitoring of high voltage comput?ers，a high voltage microcomputer remote monitoring system based on sensors was designed and implemented withtemperature and humidity as the monitoring objectives. According to the system requirements，the overall frame?work of the system is divided into four parts：temperature and humidity collector，concentrator，cclient and host com?puter，the system hardware selection and software design are carried out，the high-voltage microcomputer tempera?ture sensor and humidity sensor are designed，and the designed temperature and humidity sensor and system areverified and tested. The results showed that the designed temperature sensor had good temperature sensitivity andrepeatability at temperatures ranging from 20 ℃ to 100 ℃，with a resolution of 0.5 ℃，and could quickly respond totemperature changes.The designed humidity sensor had good sensitivity to humidity，with a sensitivity of 0.647 anda linearity of R 2 =0.952，which can quickly respond to humidity changes.

Key words：temperature sensor；humidity sensor；high voltage microcomputer；remote monitoring

高壓微機是一種電光礦用保護設備，具有選擇性漏電保護和漏電閉鎖保護功能，適用于煤礦等含有爆炸性危險氣體的工作環境，可有效保護礦用設備。因此，有必要對高壓微機進行遠程監測。

目前，遠程監測方案主要包括基于深度學習的遠程和基于傳感器的遠程檢測，如基于長短期記憶神經網絡（LSTM），依托某 660 MW 機組的實際運行數據，實現了重型柴油車遠程動態監測 [1] ；基于STM32設計的傳感器節點，采集周邊環境信息，設計了一種基于LoRa的遠程監測系統，實現了低功耗、高穩定性的遠程監控 [2] ；針對區域內多口鉆井雙側向測井儀檢測數據無法及時聯合反演的問題，設計了基于NB-IoT的雙側向測井儀遠程監測系統 [3] 。因此，本研究基于傳感器設計高壓微機遠程監測系統。

同時結合高壓微機對環境溫濕度的嚴格要求，以溫度和濕度為監測目標，通過設計溫度傳感器和濕度傳感器采集精確的溫度和濕度數據，并傳輸到客戶端進行顯示，實現了高壓微機的遠程監測。

1 系統整體框架

本研究的目的是實現高壓微機低功耗、高穩定性遠程監測。高壓微機中，對環境的溫度和濕度范圍具有嚴格要求，規定溫度為20～40 ℃，相對濕度為40%～70% [4-5] 。因此，遠程監控高壓微機溫濕度，可實現高壓微機遠程監控。根據上述分析，研究以溫濕度監測為目標，設計并實現了一套基于傳感器的高壓微機遠程監測系統。系統整體框架如圖1所示。

由圖1可知，系統包括溫濕度采集器、集中器、客戶端、上位機4個部分。其中，溫濕度采集器負責采集高壓微機環境溫濕度值并通過無線傳輸方式傳輸到集中器；集中器負責接收采集到的溫濕度值，并通過有線傳輸方式傳輸到上位機；上位機負責接收和顯示集中器傳輸數據，并利用局域網將數據傳輸到客戶端；客戶端負責向用戶展示數據 [6-8] 。

2 系統設計

2. 1 硬件選型

本系統選用具有低功耗和遠距離傳輸優勢的Si4432搭建無線組網模塊，選用PIC24FJ64GA004芯片作為微控制單元，選用Silicon Laboratories系列作為無線射頻收發器件，并通過SPI總線實現通信 [9-11] 。

考慮到無線組網模塊中，傳感器采集器采集的數據精確性對高壓微機監測性能具有重要影響。因此，為采集到更精確的溫濕度數據，研究分別設計了一種溫度傳感器和濕度傳感器。

2. 1. 1 溫度傳感器設計

（1）材料與設備：本研究選用表1和表2所示材料與設備制備溫度傳感器。

（2）制備工藝流程：①柔性基底。先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗燒杯等器皿以及聚酰亞胺（PI）薄膜，然后將薄膜放入紫外線固化儀中照射20min [12] 。②電極制備。將固化后的PI薄膜貼在玻璃板上放置于絲網印刷臺，使用導電銀膠印刷電極后，放置于加熱臺進行烘干。③感溫薄膜制備。取100 mg石墨烯/碳納米導管電漿放入燒杯中，并添加 50 ml 超純水，利用超聲分散儀分散20 min并在室溫條件下磁力攪拌1 h。然后將噴筆在去離子水中超聲清洗30 min，并連接噴筆和高純氮氣，再向噴筆背后總加入無水乙醇，徹底清洗噴筆。最后固定噴筆口和柔性基底距離為 15 cm，將足量石墨烯/碳納米管溶液注入噴筆中，以小流量噴出，使溶液沉積在基底上，形成薄膜電阻 [13-14] 。④退火。將噴涂后的器件放置于加熱臺以60 ℃溫度烘干1 h，再在管式爐中以170 ℃恒溫進行退火，為放置薄膜氧化，在管式爐中通入氮氣。⑤封裝。為保證薄膜不被氧化，采用PI膠帶進行封裝 [15] 。

2. 1. 2 濕度傳感器設計

（1）材料與設備：本研究選用表1和表2所示材料與設備制備濕度傳感器；

（2）制備工藝流程：①聚酰胺酸旋涂。先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗燒杯等器皿，并在固含量18%的聚酰胺酸中加入甲基吡咯烷酮稀釋至固含量為115%的聚酰胺酸溶液。在玻璃片中心倒入適量聚酰胺酸溶液，并將玻璃板置于旋轉臺，啟動勻膠機旋涂。旋涂時前轉、后轉時長分別為6、20 s，轉速分別為300、3 000 r/min [16-17] 。②PI薄膜制備。將旋涂后的玻璃片放入退火爐中，以240 ℃溫度熱處理30 min，得到PI薄膜。③將覆有PI薄膜的玻璃片放入盛滿純水的玻璃培養皿中，并置于加熱臺，以60 ℃溫度浸泡30 min，揭下PI薄膜 [18] 。④氧化石墨烯噴涂。將PI薄膜使用噴筆噴涂氧化石墨烯（GO）溶液，噴涂時長分別為5、10、15 min。⑤電極制備。將 PI 薄膜平鋪在絲網印刷臺上，使用導電銀膠印刷電極，再在加熱臺上進行烘干 [19] 。

2. 2 軟件設計

本系統軟件設計主要是對無線數據傳輸進行設計，包括無線數據發送和無線數據接收2個部分，具體流程如圖2所示。

3 仿真試驗

3. 1 傳感器性能測試

3. 1. 1 溫度傳感器性能測試

為檢驗本系統中所設計的溫度傳感器性能，研究基于HI-H-40恒溫實驗箱和AT281X的LCR測試儀，搭建了測試平臺，并分析了溫度傳感器的溫度敏感特性、分辨力、響應時間、重復性 [20] 。

（1）溫度敏感特性分析：將溫度傳感器放置于恒溫箱中并將起始溫度設置在-40 ℃，并使用LCR測試儀檢測傳感器實時電阻并記錄。然后以2 ℃/min的速度對恒溫箱進行升溫至120 ℃，并間隔10 ℃記錄一次傳感器電阻值，得到傳感器電阻值隨溫度變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，當溫度低于-20 ℃時，傳感器溫度與電阻呈正相關，傳感器電阻值隨溫度升高而增大；當溫度高于-20 ℃時，傳感器溫度與電阻呈負相關，傳感器電阻值隨溫度升高而減小；當溫度介于 20～100 ℃時，傳感器線性度良好。

由此說明，所設計的溫度傳感器可用于日常溫度測量。

（2）響應時間分析：為檢驗所設計的溫度傳感器是否能對環境溫度變化作出快速響應，研究對傳感器的響應時間進行了測試。設定恒溫箱溫度為80 ℃，并將室溫下的傳感器放入恒溫箱中，連接LCR測試儀與溫度傳感器，并記錄傳感器電阻變化，結果如圖4所示。

由圖4可知，所設計的溫度傳感器的響應時間和恢復時間分別為3、3.6 s。由此說明，所設計的溫度傳感器可快速響應溫度變化。

3. 1. 2 傳感器濕度性能測試

為檢驗所設計的濕度傳感器對濕度的敏感特性，實驗將濕度傳感器置于氯化鋰飽和鹽溶液中，并觀察不同相對濕度環境下濕度傳感器的響應度，并通過最小二乘法進行線性擬合，結果如圖5所示。

由圖 5 可知，當相對濕度介于 15%～90% RH范圍內，濕度傳感器的靈敏度為 0.647，線性度R 2 =0.952。由此說明，所設計的濕度傳感器敏感性良好。

3. 2 系統測試與結果

首先從采集器和集中器中各選一個節點，并配置節點參數為中心載波頻率433MHz，發射功率20 dbm，發射速率9.6 kbps。然后，將采集節點逐漸遠離集中器節點至100 m，并利用采集節點向集中節點發送1 000個長度為10 db的數據包。當集中節點接收到數據包后，對數據包進行解析，并根據計算丟包率。最后，每間隔100 m記錄一次采集節點與集中節點的通信數據和丟包率，測試結果為：當通信距離小于等于900 m時，系統丟包率為0；當通信距離大于1 000 m后，系統丟包率快速增長。

因此，要保證本系統通信質量，應使節點間的通信距離不超過1 000 m。

4 結語

所設計的基于傳感器的高壓微機遠程監測系統，通過采用自制的溫度傳感器和濕度傳感器采集高壓微機溫度和濕度，并通過無線傳感器網絡進行無線數據的發送和接收，通過數據傳輸顯示模塊將數據在客戶端進行展示，實現了高壓微機的遠程監控。當通信距離小于1 000 m時，系統通信質量良好，可較好地配合天線，且具有良好的輸出功率。所設計的溫度傳感器，在溫度為20～100 ℃時，具有良好的溫度敏感特性和重復性，分辨力為0.5 ℃，且可快速響應溫度變化；所設計的濕度傳感器對濕度的敏感性良好，靈敏度為0.647，線性度R 2 為0.952，可快速響應濕度變化。

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