基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)溫度系統在鋼鐵行業(yè)的應用

柏為為

安科瑞電氣股份有限公司 201801

摘要：采集關(guān)鍵電力設備接點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，克服有線(xiàn)溫度監測系統存在的諸如線(xiàn)路多，布線(xiàn)復雜，維護困難，高壓隔離等方面的不足，將測溫傳感器與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動(dòng)化技術(shù)相結合，云邊協(xié)同，實(shí)現智能化無(wú)線(xiàn)測溫系統方案。無(wú)線(xiàn)測溫系統具有結構簡(jiǎn)單可靠，擴展性好，布點(diǎn)靈活等特點(diǎn),可以結合行業(yè)深層需求及其他技術(shù)，進(jìn)一步在電廠(chǎng)推廣應用。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)測溫   無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器  電氣接點(diǎn)測溫  測溫系統

1 鋼鐵工業(yè)電氣裝置需求分析

鋼鐵工業(yè)是個(gè)龐大復雜的工業(yè)生產(chǎn)系統, 大量使用中低壓開(kāi)關(guān)柜、高壓電動(dòng)機、發(fā)電機等電氣設備。 對自動(dòng)化程度和連續生產(chǎn)的高要求,不僅對其供電可靠性越來(lái)越高,而且對鋼鐵工業(yè)系統內關(guān)鍵的配電及高壓電動(dòng)機設備的穩定可靠性也提出了更高的要求。 電氣設備在長(cháng)期運行過(guò)程中,電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱, 進(jìn)而導致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。變電站或配電室內開(kāi)關(guān)柜等電氣設備安裝密集,電動(dòng)機也都是各工藝段的關(guān)鍵設備,故此類(lèi)事故可能會(huì )導致大量電氣設備損壞,并引發(fā)下游大范圍供電線(xiàn)路或重要用電設備突然停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。近年來(lái),傳感器及物聯(lián)網(wǎng),設備的在線(xiàn)監測,及大數據分析等技術(shù)的快速發(fā)展,結合鋼鐵工業(yè)的特點(diǎn)及需求,新技術(shù)的研究與應用對解決此類(lèi)問(wèn)題提供了新的解決方案。

2 關(guān)鍵新技術(shù)的選用

針對上述提出的問(wèn)題,結合溫度傳感器、Sub-1G無(wú)線(xiàn)傳輸、云應用及大數據分析技術(shù)現狀,本文提出了多種新技術(shù)的解決方案并結合實(shí)際案例進(jìn)行應用。

2.1 溫度測量技術(shù)的選用

傳統的測溫方法包括通過(guò)熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫,溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線(xiàn)傳輸溫度信號。電氣設備測溫檢測,由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)/觸點(diǎn)上,其信號傳輸金屬導線(xiàn)的絕緣性能無(wú)法保證。 同時(shí),對于改造類(lèi)項目實(shí)施難度較大,因此推薦采用無(wú)線(xiàn)測溫方法進(jìn)行檢測。目前無(wú)線(xiàn)測溫方法包括電磁感應供電無(wú)線(xiàn)測溫、電池供電無(wú)線(xiàn)測溫方式及紅外在線(xiàn)測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發(fā)熱點(diǎn),塵土震動(dòng)對其影響較大;有源無(wú)源測溫較合適,無(wú)需布線(xiàn),易于安裝,但有源測溫需要外供電池,受電池壽命影響,需要更換;電磁感應供電無(wú)線(xiàn)測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長(cháng)、故障率低等特點(diǎn)。表1詳細比較了各種無(wú)線(xiàn)測溫方法的性能。

表 1 無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)性能比較

2.2無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)選用

無(wú)線(xiàn)通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式,其中應用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無(wú)線(xiàn)通信方式包括:Sub-1G技術(shù)、藍牙技術(shù)(Bluetooth)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)( WiFi)、超寬帶技術(shù)(UWB)、近場(chǎng)通信技術(shù) (NFC)。

藍牙技術(shù)(Bluetooth)屬于一種超短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù),傳輸距離10m范圍以?xún)?傳輸速率約1 Mb / s,其有效速率約為 723 kb / s;超寬帶技術(shù) (UWB)傳輸速率一般結余 53 ~ 480 Mb / s 傳輸距離小于40 m;近場(chǎng)通信技術(shù)(NFC)適用于近距離貼近操作。Sub-1G技術(shù)的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較長(cháng);設備功耗極低,發(fā)射輸出僅為10dBm;通信組網(wǎng)簡(jiǎn)潔。這些主要特征使Sub-1G 通信技術(shù)傳輸數據穩定可靠。表2給出了幾種技術(shù)性能比較。

表2 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)性能比較

2.3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統的系統監控及運行一般以集中式或者分布式的 SCADA 系統應用為主,并在控制室內由操作員及工程師使用。隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應用,通過(guò)傳感器監測到的關(guān)鍵設備的各種實(shí)時(shí)數據也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到遠方云服務(wù)器, 特別是對于區域廣,布線(xiàn)困難的區段,數據的獲取將會(huì )變得更加方便和容易。傳輸到云服務(wù)器上的數據比起傳統專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器存儲,成本更低,可靠性更高,供不同用戶(hù)使用更方便。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到云服務(wù)器的數據,可以通過(guò)智能手機的APP顯示出來(lái),并通過(guò)不同的功能模塊定制化實(shí)現。根據不同用戶(hù)的需求和設備使用情況,可以對存儲的數據按照既定算法進(jìn)行數據分析,及早通過(guò)數據對比發(fā)現異常數據,并給予用戶(hù)提示或者告警信息,減少及降低設備故障甚至事故的發(fā)生。

3 應用方案綜述

項目針對鞍山鋼鐵6KV部分的總站和窯頭站的57面開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行進(jìn)行智能測溫改造，經(jīng)過(guò)技術(shù)對比,使用無(wú)線(xiàn)無(wú)源溫度傳感器+溫度監測系統,準確的采集關(guān)鍵部位的溫度信號 ,通過(guò)控制中心的無(wú)線(xiàn)測溫監測系統,實(shí)現溫度信號的實(shí)時(shí)監測,超溫部位及設備精準定位,超溫報警,保證關(guān)鍵設備壽命及生產(chǎn)連續性,減少及避免潛在事故的風(fēng)險。并且測溫系統實(shí)現了測溫信號的移動(dòng)運維,不僅可以通過(guò)智能手機實(shí)時(shí)監控到關(guān)鍵設備的溫度,并能在超溫時(shí)自動(dòng)發(fā)出報警信號,及時(shí)推送到具體負責人員的智能手機終端,實(shí)現高效的問(wèn)題處理,極大的降低配電裝 置及電氣設備事故風(fēng)險,保證供電可靠性,生產(chǎn)連續性及安全生產(chǎn)。

3.1 無(wú)線(xiàn)無(wú)源測溫:溫度傳感器+Sub-1G 

經(jīng)過(guò)技術(shù)對比,選定 ATE400無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器應用于開(kāi)關(guān)柜關(guān)鍵部位測溫。其主要性能參數如表3所示.

表3 ATE400溫度傳感器參數表

ATE400無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器基于一次電流進(jìn)行感應取電,與測量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監測。并且,ATE400非常小巧不占用空間,便于安裝調試及后期維護。 ATE400無(wú)線(xiàn)通信采用Sub-1G通信技術(shù)確保有可靠和強大的通信能力。ATE400的圖片及在項目應用中的場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 ATE400傳感器外觀(guān)及現場(chǎng)高壓柜觸頭/電纜頭應用

3.2 無(wú)線(xiàn)測溫系統網(wǎng)絡(luò )架構

由于測溫傳感器分布區域廣,數量多,測溫系統架構采用以太網(wǎng)作為主要架構?，F場(chǎng)的各ATE400溫度傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到溫度接收裝置，溫度接收裝置通過(guò)Modbus-RTU 通信協(xié)議將溫度信號傳輸到各個(gè)現場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將協(xié)議裝換為Modbus-TCP 規約,并經(jīng)現場(chǎng)的以太網(wǎng)交換機,通過(guò)光纖通道傳輸到控制中心的工作站中。測溫系統云服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò ),將各ATE400的測溫數據上傳到云平臺,以供智能手機的APP使用。系統網(wǎng)絡(luò )架構如圖2所示。

圖2 測溫系統網(wǎng)絡(luò )架構圖

3.3無(wú)線(xiàn)測溫系統

無(wú)線(xiàn)測溫系統是物聯(lián)網(wǎng)IOT技術(shù)的應用體現之一，圖3為系統部分功能截圖。IOT由IT信息技術(shù)和OT運營(yíng)技術(shù)深度融合,能夠極大的改造電力設備,實(shí)現過(guò)程和能源的優(yōu)化。本項目中,通過(guò)測溫系統應用,會(huì )將變配電站內安裝ATE400溫度傳感器的開(kāi)柜溫度數據進(jìn)行處理,為配電設備運行狀態(tài)監視、運行維護作業(yè)管理和設備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+"靈活應用方案。而且,測溫系統可以提供報警管理,可以根據嚴重程度區分不同等級的報警,并通過(guò)短信通知用戶(hù),讓用戶(hù)在短時(shí)間獲取報警信息,并可以通過(guò)手機APP 確認和記錄報警事件,篩選和導出報警信息,形成專(zhuān)門(mén)的報告,預防事故及故障的發(fā)生。 除了智能手機端顯示溫度及提供報警之外,測溫系統還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能,提高用戶(hù)的運維效率及智能化程度。

圖3 無(wú)線(xiàn)測溫系統溫度顯示、報表及曲線(xiàn)等界面

4 結語(yǔ) 

無(wú)線(xiàn)測溫系統在鞍山鋼鐵的智能化測溫改造及應用,提供溫度異常告警、實(shí)時(shí)設備溫度采集、周期性溫度監測及報表、設備狀態(tài)評估等功能,能減少及避免重大因溫度導致故障的發(fā)生。系統運用效果良好,大量減少了運維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精準度。其次,隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和其它傳感器的應用,從不同角度獲得關(guān)鍵設備及系統的數據,更客觀(guān)地進(jìn)行設備及系統監測,作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬(wàn)物互聯(lián)等新技術(shù)的應用,會(huì )對運維人員的能力及習慣提出更高的要求,智能化系統需要進(jìn)一步提高用戶(hù)的實(shí)際體驗,開(kāi)發(fā)更多更貼近用戶(hù)的功能,比如資產(chǎn)管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應用。

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