摘要：為能采集關(guān)鍵電力設(shè)備接點(diǎn)的實(shí)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(dǎo)致布線及維護(hù)難度較大),針對鉛鋅冶煉工業(yè)的特點(diǎn)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(jìn)行試點(diǎn)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(kuò)展性好、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn),進(jìn)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(fù)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(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)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(yùn)行過程中,電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱,進(jìn)而導(dǎo)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(jī)也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備,故此類事故可能會導(dǎo)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(jì)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(diǎn)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(shí)際案例進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)/觸點(diǎn)上，其信號傳輸金屬導(dǎo)線的絕緣性能無法保證。同時，對于改造類項(xiàng)目實(shí)施難度較大，因此推薦采用無線測溫方法進(jìn)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(zhǔn)發(fā)熱點(diǎn)，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(fù)雜，受自身發(fā)熱影響，誤動作概率明顯高于前者;表1詳細(xì)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(hù)、使用壽命長、故障率低等特點(diǎn)。

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(jìn)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(lán)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(lán)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(tuán)隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行開發(fā)。

Zigbee通信工作頻段共包含3個，本項(xiàng)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(fèi)。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(jìn)行加密。?

Zigbee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(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(xiàng)目采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將2種拓?fù)浣Y(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(diǎn)，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?fù)渲械木W(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?fù)渲械淖哟仡^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?fù)浣Y(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(yùn)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(jī)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(shí)時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(jī)的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實(shí)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(jìn)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(jī),需要將廠區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵開關(guān)柜及高壓電動機(jī)進(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)溫度信號的實(shí)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(fēng)險。并且,依靠云服務(wù)的“千里眼”系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了測溫信號的移動運(yùn)維,不僅可以通過智能手機(jī)實(shí)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(fù)責(zé)人員的智能手機(jī)終端,實(shí)現(xiàn)高效的問題處理,降低配電裝置及電氣設(shè)備事故風(fēng)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(diǎn)直接接觸可以確保高性能的準(zhǔn)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(hù)。

溫度傳感器采用ZigBee節(jié)能型通信協(xié)議,確保有可靠和強(qiáng)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(diǎn)直接接觸可以確保高性能的準(zhǔn)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(hù)。溫度傳感器的圖片及在項(xiàng)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(shí)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(dǎo)致故障的發(fā)生。系統(tǒng)運(yùn)用效果良好,大量減少了運(yùn)維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精度。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中,因停電時間有限,改造工作復(fù)雜,仍有部分設(shè)備未能實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時監(jiān)測,需要進(jìn)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(jìn)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(yùn)維人員的能力及習(xí)慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高用戶的實(shí)際體驗(yàn),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。