摘要：為能采集關(guān)鍵電力設(shè)備接點的實時溫度,同時需要解決有線測量溫度的短板(測量回路多、安裝空間有線,導致布線及維護難度較大),針對鉛鋅冶煉工業(yè)的特點及需求,將無線無源傳感器與Zigbee無線通信技術(shù)相結(jié)合,并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動互聯(lián)網(wǎng)與電力自動化技術(shù)相結(jié)合,提出了智能化測溫系統(tǒng)方案,在云南馳宏會澤冶煉分公司進行試點應(yīng)用。結(jié)果表明,該無線測溫系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、擴展性好、布點靈活等特點,進一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線測溫;Zigbee;物聯(lián)網(wǎng);無線無源傳感器

1鉛鋅冶煉工業(yè)電氣裝置需求分析

鉛鋅冶煉工業(yè)是個龐大復雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),大量使用中低壓開關(guān)柜、高壓電動機、發(fā)電機等電氣設(shè)備。對自動化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求,不僅對其供電可靠性越來越高,而且對冶煉工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的配電及高壓電動機設(shè)備的穩(wěn)定可靠性也提出了更高的要求。電氣設(shè)備在長期運行過程中,電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱,進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(nèi)開關(guān)柜等電氣設(shè)備安裝密集,電動機也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備,故此類事故可能會導致大量電氣設(shè)備損壞,并引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設(shè)備突然停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

近年來,傳感器及物聯(lián)網(wǎng),設(shè)備的在線監(jiān)測,及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的快速發(fā)展,結(jié)合鉛鋅冶煉工業(yè)的特點及需求,新技術(shù)的研究與應(yīng)用對解決此類問題提供了新的解決方案。

2關(guān)鍵新技術(shù)的選用

針對上述提出的問題,結(jié)合溫度傳感器、Zigbee無線傳輸、云應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀,本文提出了多種新技術(shù)的解決方案并結(jié)合實際案例進行應(yīng)用。

2.1溫度測量技術(shù)的選用

傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、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傳輸溫度信號。電氣設(shè)備測溫檢測，由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點/觸點上，其信號傳輸金屬導線的絕緣性能無法保證。同時，對于改造類項目實施難度較大，因此推薦采用無線測溫方法進行檢測。目前無線測溫方法包括感應(yīng)供電無線測溫、CT取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發(fā)熱點，塵土震動對其影響較大;有源無源測溫較合適，無需布線，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;CT取電測溫安裝相對復雜，受自身發(fā)熱影響，誤動作概率明顯高于前者;表1詳細比較了各種無線測溫方法的性能。

綜上，類比不同形式的無線測溫方式，感應(yīng)供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長、故障率低等特點。

2.2無線傳輸技術(shù)選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，其中應(yīng)用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信方式包括∶Zigbee技術(shù)、藍牙技術(shù)（Bluetooth）、工業(yè)無線技術(shù)（WiFi）、超寬帶技術(shù)（UWB）、近場通信技術(shù)(NFC)。

藍牙技術(shù)(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術(shù),傳輸距離在10m范圍以內(nèi),傳輸速率約1Mb/s,其有效速率約為723kb/s;超寬帶技術(shù)(UWB)傳輸速率一般結(jié)余53-480Mb/s傳輸距離小于40m;近場通信技術(shù)(NFC)適用于近距離貼近操作。Zigbee技術(shù)的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較近;設(shè)備功耗低,發(fā)射輸出僅為為0-3.6dBm;通信組網(wǎng)簡潔。這些主要特征使Zigbee通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,同時輸出的數(shù)據(jù)容量也比較大。表2給出了幾種技術(shù)性能比較。

表2無線傳輸技術(shù)性能比較

Zigbee通信協(xié)議的制定是由IEEE802.15.4團隊和Zigbee聯(lián)盟共同完成。該通信技術(shù)的PHY層和MAC層執(zhí)行IEEE802.15.4的標準協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層的制定由Zigbee聯(lián)盟完成，應(yīng)用層比較開放，允許用戶按照不同的需求，自主進行開發(fā)。

Zigbee通信工作頻段共包含3個，本項目采用的無源測溫傳感器采用2.4GHz頻段，該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，其分為16個信道，目前為全球通用，且免申請無需付費。為了化降低無線電載波通信間的相互沖突，選用CSMA-CA方式（免沖突多載波信道接入技術(shù)）;為了保證通信數(shù)據(jù)的安全，選用密鑰長度為128位的加密算法對數(shù)據(jù)進行加密。?

Zigbee組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)支持2種方式∶星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格對等結(jié)構(gòu)。本項目采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將2種拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，形成簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般簇樹狀網(wǎng)絡(luò)分配網(wǎng)絡(luò)地址方案為分布式地址分配，具體為每一個父設(shè)備分配一個有限的網(wǎng)絡(luò)地址段。并目被分配的地h址在特定網(wǎng)絡(luò)中是唯—的。針對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定好深度的節(jié)點，由父設(shè)備分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d)，計算公式為∶

式中d-該設(shè)備在樹狀拓撲中的網(wǎng)絡(luò)深度;

Cm-由父設(shè)備管理的子設(shè)備數(shù)量的值;

Lm-簇樹網(wǎng)絡(luò)設(shè)計深度;

Rm-路由器被父設(shè)備作為子設(shè)備的數(shù)。

圖1 Zigbee簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由公式計算出的Cskip(d)值,為父設(shè)備向子設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址時的偏移值。父設(shè)備首先給網(wǎng)絡(luò)拓撲中的子簇頭設(shè)備分配地址,規(guī)則為比父設(shè)備自身地址增1,后續(xù)的子簇頭設(shè)備的地址,按照以Cskip(d)間隔規(guī)則繼續(xù)分配,按照這個原則為拓撲結(jié)構(gòu)中所有子簇頭分配地址。

2.3移動互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA系統(tǒng)應(yīng)用為主,并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應(yīng)用,通過傳感器監(jiān)測到的關(guān)鍵設(shè)備的各種實時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h方云服務(wù)器,特別是對于區(qū)域廣,布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會變得更加方便和容易。傳輸?shù)皆品?wù)器上的數(shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務(wù)器存儲,成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù),可以通過智能手機的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實現(xiàn)。根據(jù)不同

用戶的需求和設(shè)備使用情況,可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進行數(shù)據(jù)分析,及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),并給予用戶提示或者告警信息,減少及降低設(shè)備故障甚至事故的發(fā)生。

 3應(yīng)用方案綜述

云南馳宏會澤的鉛鋅冶煉廠目前每年生產(chǎn)約10萬噸鋅和6萬噸鉛,廠區(qū)內(nèi)包含中低壓配電室50多個,并使用50個以上的高壓電動機,需要將廠區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵開關(guān)柜及高壓電動機進行智能測溫改造。經(jīng)過技術(shù)對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zig-Bee冶溫度監(jiān)測系統(tǒng),準確的采集關(guān)鍵設(shè)備及設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度信號并通過智能網(wǎng)關(guān),接入會澤冶煉分公司既有的光纖通訊網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)共享,通過控制中心的無線測溫監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)溫度信號的實時監(jiān)測,超溫部位及設(shè)備定位,超溫報警,保證關(guān)鍵設(shè)備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性,減少及避免潛在事故的風險。并且,依靠云服務(wù)的“千里眼”系統(tǒng),實現(xiàn)了測溫信號的移動運維,不僅可以通過智能手機實時監(jiān)控到關(guān)鍵設(shè)備的溫度,并能在超溫時自動發(fā)出報警信號,及時推送到具體負責人員的智能手機終端,實現(xiàn)高效的問題處理,降低配電裝置及電氣設(shè)備事故風險,保證供電可靠性,生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。應(yīng)用方案的基本架構(gòu)如圖2所示。

溫度傳感器自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監(jiān)測。并且,溫度傳感器非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護。

溫度傳感器采用ZigBee節(jié)能型通信協(xié)議,確保有可靠和強大的通信能力,可以用來創(chuàng)建共享的操作解決方案。溫度傳感器自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監(jiān)測。并且,溫度傳感器非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護。溫度傳感器的圖片及在項目應(yīng)用中的場景如圖3所示。

5結(jié)語

無線測溫系統(tǒng)在云南馳宏會澤鉛鋅冶煉廠的智能化測溫改造及應(yīng)用,配套管理系統(tǒng)及千里眼APP提供溫度異常告警、實時設(shè)備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測及報表、設(shè)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(tǒng)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度。在項目執(zhí)行過程中,因停電時間有限,改造工作復雜,仍有部分設(shè)備未能實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測,需要進一步優(yōu)化測溫系統(tǒng)的施工方法,提高安裝效率。其次,隨著技術(shù)的發(fā)展和其它傳感器的應(yīng)用,從不同角度獲得關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù),更客觀地進行設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)測,作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬物互聯(lián)等新技術(shù)的應(yīng)用,會對運維人員的能力及習慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進一步提高用戶的實際體驗,開發(fā)更多更貼近用戶的功能,比如資產(chǎn)管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應(yīng)用。