電氣設備的非接觸式測溫系統(tǒng)設計

1、電氣設備的非接觸式測溫系統(tǒng)設計 1系統(tǒng)總體設計 如圖1所示，測溫系統(tǒng)采用三層通信架構。第一層的測溫節(jié)點安裝在高壓電氣設備上，負責實時采集電氣結點處的溫度并通過無線通信方式把信息上報給基站。位于第二層的基站系統(tǒng)包括主基站和從基站，共同實現(xiàn)服務器與測溫節(jié)點間的雙向通信中繼。設置兩級基站的原因是由于測溫節(jié)點可能安裝在開關柜內(nèi)部或距離主基站較遠的設備上，金屬柜體的屏蔽作用和無線通信距離的限制會導致測溫節(jié)點無法直接與主基站通信，因此在測溫節(jié)點的無線通信范圍內(nèi)設置從基站作為中繼。主從基站之間通過RS485總線進行通信。第三層的服務器可設于變電站控制室或遠程控制中心內(nèi)，通過以太網(wǎng)、GPRS或3G等方式與主基

2、站交換數(shù)據(jù)。 2系統(tǒng)硬件設計 21測溫節(jié)點 測溫節(jié)點由紅外溫度傳感器、信號處理電路、單片機、短距無線通信模塊和供電電路組成。為了保證測溫精度，系統(tǒng)使用Hlplanar公司的紅外溫度傳感器TS118-35采集溫度信號。TS118-3由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構成6，其中熱電堆可等效為多個具有冷熱端點的熱電偶相串聯(lián)。在測量物體溫度時，熱電堆的熱端吸收被測物體輻射的紅外線并轉換為熱能，而熱電堆把熱量成比例地轉換為電信號，從而在熱電堆的冷熱兩端形成溫差電壓。由于熱電堆輸出的電壓信號僅反映被測物體與熱電堆冷端之間的溫度差，因此還需要通過熱敏電阻測出熱電堆的冷端溫度(即環(huán)境溫度)，才能得到物體實際溫度。

3、TS118-3輸出的物理量包括熱電堆輸出電壓和熱敏電阻信號。首先，信號處理電路需將熱電堆輸出的毫伏級電壓信號放大至伏特級，再送入單片機進行模數(shù)信號轉換。信號放大采用了TI公司的OP97集成運算放大器，這主要是由于它的失調(diào)電壓較小，有助于提高測溫精度。其次，由于環(huán)境溫度是通過熱敏電阻值反映出來的，信號處理電路還需將熱敏電阻信號轉換為模擬電壓信號，再送入單片機的ADC得到數(shù)字信號。除了溫度信息，測溫節(jié)點還通過分壓電路采集供電電壓并定時上報給服務器，以便在測溫節(jié)點電量不足時更換電池。為降低測溫節(jié)點的功耗，系統(tǒng)選用了TI公司的超低功耗單片機MSP430F5418A7作為節(jié)點處理器，并在單片機的輸入輸出

4、端口通過三極管控制數(shù)據(jù)采集電路、信號處理電路和短距無線通信模塊的供電，在有需要的時候才使它們上電工作。此外，為了提高測溫節(jié)點的可靠性，在電路設計時特別進行了防浪涌和抗靜電沖擊的設計，包括在供電電路的輸出端接上防浪涌沖擊的箝位二極管，在單片機有硬件連接的輸入輸出端口接上專用防浪涌和靜電的二極管，把單片機懸空的輸入輸出端口統(tǒng)一置為高電平等。 22短距無線通信模塊 由于測溫節(jié)點使用電池供電且安裝在高壓電氣設備上，因此對測溫節(jié)點的功耗和體積都有嚴格的限制。為滿足低功耗和微型化的要求，測溫節(jié)點使用的短距無線通信模塊采用Nordic公司的超低功耗24GHz射頻芯片nRF24L01+8和Rainsun公司的

5、24GHz陶瓷貼片天線PF1004進行設計。nRF24L01+具有極低的發(fā)送/接收/掉電電流，芯片內(nèi)部集成了自動重發(fā)、自動應答、CRC校驗等鏈路層功能，方便開發(fā)且具有較高的無線通信可靠性。短距無線通信模塊通過SPI接口與單片機通信9。如圖3所示，CSN為SPI片選信號，SCK為SPI的時鐘信號，MOSI/MISO分別是模塊的數(shù)據(jù)輸入和與輸出。此外，CE和IRQ分別為模塊的發(fā)送/接收使能信號和中斷輸出信號。 23中繼基站 在中繼系統(tǒng)中，主基站負責進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和RS485數(shù)據(jù)的相互轉換，而從基站負責進行無線數(shù)據(jù)與RS485數(shù)據(jù)間的互相轉換。如圖4所示，主從基站采用同一電路架構，包括單片機、短距無

6、線通信模塊、串口轉以太網(wǎng)模塊、RS232/RS485轉換芯片和供電電路，通過開關選擇進行無線通信或以太網(wǎng)通信。為了方便單片機軟件的復用，基站采用與測溫節(jié)點相同的單片機進行設計。RS485和RS232信號轉換采用的是Maxim公司的MAX348510和MAX323211芯片。相較于陶瓷貼片天線，膠棒天線通常具有更高的增益和較大的尺寸，因此可用于從基站的短距無線通信模塊，以提高系統(tǒng)的整體無線通信能力。串口轉以太網(wǎng)模塊是工控領域的成熟產(chǎn)品，提供RS232串口到TCP/IP網(wǎng)絡的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。本系統(tǒng)采用的是有人科技公司的USR-TCP232-2型串口轉以太網(wǎng)模塊12，它搭載ARM處理器，速度快，穩(wěn)

7、定性高;集成10/100M自適應以太網(wǎng)接口;集成TCP/IP協(xié)議棧，可通過軟件配置工作于TCPServer，TCPClient或UDP模式;體積小巧，功耗低。 3系統(tǒng)軟件設計 31測溫節(jié)點 測溫節(jié)點軟件采用了低功耗設計以延長其在電池供電的情況下的持續(xù)使用時間，基本原則為單片機在中斷處理子程序中完成溫度采集和通信，在空閑的時候則始終處于低功耗狀態(tài)。測溫節(jié)點的軟件流程如圖5所示。上電后，測溫節(jié)點首先進行單片機硬件和軟件的初始化設置，每5分鐘采集1次數(shù)據(jù)，每小時上報1次數(shù)據(jù)，隨后進入低功耗狀態(tài)。當?shù)竭_數(shù)據(jù)采集時刻時，單片機使數(shù)據(jù)采集和處理電路上電，使能ADC把采樣到的模擬信號轉換為數(shù)字信號，再計算出

8、溫度值。如果溫度測量值或升溫速度達到報警條件時把溫度采集周期縮短為15秒，并立刻使無線通信模塊上電，向從基站發(fā)送報警數(shù)據(jù)，在接收到從基站回復后退出定時中斷進入低功耗狀態(tài)。如果測量值低于報警條件但達到預警條件，單片機會將溫度采集周期縮短為1分鐘，以跟蹤溫度的變化。如果測量值在正常范圍，則單片機保持溫度采集周期不變，斷開溫度采集和處理電路的電源后進入低功耗狀態(tài)。當觸發(fā)定時上報中斷時，測溫節(jié)點向從基站上報溫度和電量。由于無線通信的可靠性不高，為了保證從基站能接收到測溫數(shù)據(jù)，測溫節(jié)點如在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到從基站應答，則會重復發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收到基站應答或重發(fā)次數(shù)達到上限為止。 32中繼基站 從基站的

9、軟件流程如圖6(a)所示。上電后，從基站首先進行硬件和軟件初始化，然后進入空閑等待狀態(tài)。當觸發(fā)無線接收中斷時，從基站接收并保存節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按發(fā)送節(jié)點號查詢報警閾值、預警閾值、時間等參數(shù)，打包到應答幀中，回復給發(fā)送節(jié)點。由于測溫節(jié)點的無線通信模塊在空閑時處于斷電狀態(tài)，因此當服務器修改了運行參數(shù)后，測溫節(jié)點無法實時接收調(diào)整后的參數(shù)。從基站只能在應答節(jié)點時攜帶參數(shù)。當接收到主基站數(shù)據(jù)幀時，從基站首先查看數(shù)據(jù)幀的類型，如果是輪詢數(shù)據(jù)且從基站有待上報的數(shù)據(jù)時，就回復數(shù)據(jù)幀;如果是配置參數(shù)或從基站無數(shù)據(jù)待上報時，則發(fā)送應答幀以表示從基站工作正常。主基站的軟件處理流程如圖6(b)所示。主基站接收到的從

10、基站數(shù)據(jù)幀包括上報數(shù)據(jù)和應答2種，如果接收到數(shù)據(jù)幀，主基站保存數(shù)據(jù)等待轉發(fā)給服務器;如果接收到應答幀，主基站則不作處理直接轉入空閑狀態(tài)。服務器發(fā)送給主基站的數(shù)據(jù)幀也分為查詢數(shù)據(jù)和參數(shù)配置2種。主基站在接收到服務器數(shù)據(jù)幀后先進行類型判斷，如果是查詢數(shù)據(jù)則把本地保存的節(jié)點數(shù)據(jù)上報給服務器，如果是配置參數(shù)則保存參數(shù)并廣播發(fā)送給所有從基站。除了接收從基站和服務器的數(shù)據(jù)幀，主基站還需定時輪詢從基站以獲得節(jié)點的測溫數(shù)據(jù)。 33服務器 為了兼顧電力用戶使用習慣和操作便捷性，本系統(tǒng)基于力控ForceControl61開發(fā)具有組態(tài)軟件界面風格的網(wǎng)絡式后臺管理軟件。軟件采用B/S架構，服務器可設置在變電站現(xiàn)場或遠

11、程控制中心，通過網(wǎng)頁發(fā)布后，位于同一局域網(wǎng)內(nèi)的任一計算機可通過瀏覽器訪問軟件，進行除停止軟件程序外的所有功能，同時實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程的實時監(jiān)控。服務器軟件具有數(shù)據(jù)處理、在線監(jiān)測、圖表分析和系統(tǒng)管理等功能，功能模塊劃分如圖7所示。*數(shù)據(jù)處理:包括服務器與主基站的雙向通信、數(shù)據(jù)包解析以及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲。*在線監(jiān)測:在軟件界面上以圖形化的方式顯示系統(tǒng)連接、監(jiān)測位置、節(jié)點狀態(tài)和信息曲線等，當節(jié)點溫度異?；蛲ㄐ殴收蠒r會以顏色變化和響鈴的方式進行報警。*圖表分析:以年/月/日等時間長度統(tǒng)計溫度和電量變化。*系統(tǒng)管理:包括配置系統(tǒng)運行參數(shù)、記錄運行日志、新建修改用戶和限制用戶權限等。 4測試結果 41測溫

12、精度 在測溫精度測試中，通過IKA加熱板實現(xiàn)升溫控制，每次升溫幅度為20左右，穩(wěn)定10分鐘以上，以保證測量點與參考點的溫度均勻穩(wěn)定。測溫節(jié)點和電偶溫度計的測量值分別作為測量溫度和參考溫度，每個溫度測試點測量并記錄三組數(shù)據(jù)。測試結果如表1所示，結果表明節(jié)點測溫精度在±1以內(nèi)。 42高壓可靠性 抗高壓、耐擊穿性能是本系統(tǒng)的設計重點。在測試中，測溫節(jié)點置于高壓銅盤上進行溫度測量，定時將測溫數(shù)據(jù)發(fā)送給從基站。根據(jù)電氣設備高壓規(guī)格，銅盤電壓分別設置為0kV、10kV、35kV和100kV。受現(xiàn)場環(huán)境限制，無線通信測試距離最遠只能達到20米，因此從基站分別在距離節(jié)點10/15/20米位置處接收測

13、溫節(jié)點數(shù)據(jù)。節(jié)點設置每分鐘發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每個測試點接收10幀數(shù)據(jù)，分別測試測溫精度、通信質(zhì)量等指標。測試結果如表2所示，結果表明測溫節(jié)點在100kV下的不同等級高壓下都能可靠地工作。 43測溫節(jié)點功耗 節(jié)點功耗也是系統(tǒng)的重要指標，它決定了測溫節(jié)點的持續(xù)工作時間。測溫節(jié)點在正常工作時可能處于低功耗、數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送和無線接收這4種狀態(tài)中的一種。在室溫下測試滿壓(3V)時測溫節(jié)點各狀態(tài)的持續(xù)時間和工作電流，測量結果如表3所示。其中，工作電壓由Keithley2400源表提供，電流通過源表電流測試檔讀取，狀態(tài)持續(xù)時間通過示波器進行測量。測溫節(jié)點平均電流可用式I=4i=1IitiT計算，其中T為定時通信周期，Ii為各狀態(tài)的工作電流，ti為各狀態(tài)在單個通信周期內(nèi)的累計持續(xù)時間。低功耗和數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的累計時間與定時通信周期和定時采集周期有關。在通信周期為1小時、采集周期為1分鐘的情況下，可計算得到測溫節(jié)點的平均電流