導(dǎo)語(yǔ)：電氣設(shè)備的非接觸式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，測(cè)溫系統(tǒng)采用三層通信架構(gòu)。第一層的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)安裝在高壓電氣設(shè)備上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集電氣結(jié)點(diǎn)處的溫度并通過(guò)無(wú)線通信方式把信息上報(bào)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(shí)現(xiàn)服務(wù)器與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)間的雙向通信中繼。設(shè)置兩級(jí)基站的原因是由于測(cè)溫節(jié)點(diǎn)可能安裝在開關(guān)柜內(nèi)部或距離主基站較遠(yuǎn)的設(shè)備上，金屬柜體的屏蔽作用和無(wú)線通信距離的限制會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與主基站通信，因此在測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信范圍內(nèi)設(shè)置從基站作為中繼。主從基站之間通過(guò)RS485總線進(jìn)行通信。第三層的服務(wù)器可設(shè)于變電站控制室或遠(yuǎn)程控制中心內(nèi)，通過(guò)以太網(wǎng)、GPRS或3G等方式與主基站交換數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)由紅外溫度傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、短距無(wú)線通信模塊和供電電路組成。為了保證測(cè)溫精度，系統(tǒng)使用Hlplanar公司的紅外溫度傳感器TS118-3［5］采集溫度信號(hào)。TS118-3由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構(gòu)成［6］，其中熱電堆可等效為多個(gè)具有冷熱端點(diǎn)的熱電偶相串聯(lián)。在測(cè)量物體溫度時(shí)，熱電堆的熱端吸收被測(cè)物體輻射的紅外線并轉(zhuǎn)換為熱能，而熱電堆把熱量成比例地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)僅反映被測(cè)物體與熱電堆冷端之間的溫度差，因此還需要通過(guò)熱敏電阻測(cè)出熱電堆的冷端溫度(即環(huán)境溫度)，才能得到物體實(shí)際溫度。TS118-3輸出的物理量包括熱電堆輸出電壓和熱敏電阻信號(hào)。首先，信號(hào)處理電路需將熱電堆輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大至伏特級(jí)，再送入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換。信號(hào)放大采用了TI公司的OP97集成運(yùn)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(cè)溫精度。其次，由于環(huán)境溫度是通過(guò)熱敏電阻值反映出來(lái)的，信號(hào)處理電路還需將熱敏電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，再送入單片機(jī)的ADC得到數(shù)字信號(hào)。除了溫度信息，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)還通過(guò)分壓電路采集供電電壓并定時(shí)上報(bào)給服務(wù)器，以便在測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電量不足時(shí)更換電池。為降低測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的功耗，系統(tǒng)選用了TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F5418A［7］作為節(jié)點(diǎn)處理器，并在單片機(jī)的輸入輸出端口通過(guò)三極管控制數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)處理電路和短距無(wú)線通信模塊的供電，在有需要的時(shí)候才使它們上電工作。此外，為了提高測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的可靠性，在電路設(shè)計(jì)時(shí)特別進(jìn)行了防浪涌和抗靜電沖擊的設(shè)計(jì)，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(jī)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(jī)懸空的輸入輸出端口統(tǒng)一置為高電平等。

2．2短距無(wú)線通信模塊

由于測(cè)溫節(jié)點(diǎn)使用電池供電且安裝在高壓電氣設(shè)備上，因此對(duì)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的功耗和體積都有嚴(yán)格的限制。為滿足低功耗和微型化的要求，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)使用的短距無(wú)線通信模塊采用Nordic公司的超低功耗2．4GHz射頻芯片nRF24L01+［8］和Rainsun公司的2．4GHz陶瓷貼片天線PF1004進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dòng)重發(fā)、自動(dòng)應(yīng)答、CRC校驗(yàn)等鏈路層功能，方便開發(fā)且具有較高的無(wú)線通信可靠性。短距無(wú)線通信模塊通過(guò)SPI接口與單片機(jī)通信［9］。如圖3所示，CSN為SPI片選信號(hào)，SCK為SPI的時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)和中斷輸出信號(hào)。

2．3中繼基站

在中繼系統(tǒng)中，主基站負(fù)責(zé)進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和RS485數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，而從基站負(fù)責(zé)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)與RS485數(shù)據(jù)間的互相轉(zhuǎn)換。如圖4所示，主從基站采用同一電路架構(gòu)，包括單片機(jī)、短距無(wú)線通信模塊、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、RS232/RS485轉(zhuǎn)換芯片和供電電路，通過(guò)開關(guān)選擇進(jìn)行無(wú)線通信或以太網(wǎng)通信。為了方便單片機(jī)軟件的復(fù)用，基站采用與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)相同的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。RS485和RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換采用的是Maxim公司的MAX3485［10］和MAX3232［11］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(wú)線通信模塊，以提高系統(tǒng)的整體無(wú)線通信能力。串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊是工控領(lǐng)域的成熟產(chǎn)品，提供RS232串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊［12］，它搭載ARM處理器，速度快，穩(wěn)定性高;集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口;集成TCP/IP協(xié)議棧，可通過(guò)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(shè)計(jì)

3．1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件采用了低功耗設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)其在電池供電的情況下的持續(xù)使用時(shí)間，基本原則為單片機(jī)在中斷處理子程序中完成溫度采集和通信，在空閑的時(shí)候則始終處于低功耗狀態(tài)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。上電后，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行單片機(jī)硬件和軟件的初始化設(shè)置，每5分鐘采集1次數(shù)據(jù)，每小時(shí)上報(bào)1次數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)刻時(shí)，單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再計(jì)算出溫度值。如果溫度測(cè)量值或升溫速度達(dá)到報(bào)警條件時(shí)把溫度采集周期縮短為15秒，并立刻使無(wú)線通信模塊上電，向從基站發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，在接收到從基站回復(fù)后退出定時(shí)中斷進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果測(cè)量值低于報(bào)警條件但達(dá)到預(yù)警條件，單片機(jī)會(huì)將溫度采集周期縮短為1分鐘，以跟蹤溫度的變化。如果測(cè)量值在正常范圍，則單片機(jī)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(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)定時(shí)上報(bào)中斷時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)向從基站上報(bào)溫度和電量。由于無(wú)線通信的可靠性不高，為了保證從基站能接收到測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到從基站應(yīng)答，則會(huì)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收到基站應(yīng)答或重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限為止。

3．2中繼基站

從基站的軟件流程如圖6(a)所示。上電后，從基站首先進(jìn)行硬件和軟件初始化，然后進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)無(wú)線接收中斷時(shí)，從基站接收并保存節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)查詢報(bào)警閾值、預(yù)警閾值、時(shí)間等參數(shù)，打包到應(yīng)答幀中，回復(fù)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。由于測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊在空閑時(shí)處于斷電狀態(tài)，因此當(dāng)服務(wù)器修改了運(yùn)行參數(shù)后，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)無(wú)法實(shí)時(shí)接收調(diào)整后的參數(shù)。從基站只能在應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時(shí)攜帶參數(shù)。當(dāng)接收到主基站數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(bào)的數(shù)據(jù)時(shí)，就回復(fù)數(shù)據(jù)幀;如果是配置參數(shù)或從基站無(wú)數(shù)據(jù)待上報(bào)時(shí)，則發(fā)送應(yīng)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。主基站接收到的從基站數(shù)據(jù)幀包括上報(bào)數(shù)據(jù)和應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器;如果接收到應(yīng)答幀，主基站則不作處理直接轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。服務(wù)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(wù)器數(shù)據(jù)幀后先進(jìn)行類型判斷，如果是查詢數(shù)據(jù)則把本地保存的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)給服務(wù)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(wù)器的數(shù)據(jù)幀，主基站還需定時(shí)輪詢從基站以獲得節(jié)點(diǎn)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

3．3服務(wù)器

為了兼顧電力用戶使用習(xí)慣和操作便捷性，本系統(tǒng)基于力控ForceControl6．1開發(fā)具有組態(tài)軟件界面風(fēng)格的網(wǎng)絡(luò)式后臺(tái)管理軟件。軟件采用B/S架構(gòu)，服務(wù)器可設(shè)置在變電站現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程控制中心，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)后，位于同一局域網(wǎng)內(nèi)的任一計(jì)算機(jī)可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)軟件，進(jìn)行除停止軟件程序外的所有功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。服務(wù)器軟件具有數(shù)據(jù)處理、在線監(jiān)測(cè)、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(wù)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(kù)中的存儲(chǔ)。*在線監(jiān)測(cè):在軟件界面上以圖形化的方式顯示系統(tǒng)連接、監(jiān)測(cè)位置、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和信息曲線等，當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度異?；蛲ㄐ殴收蠒r(shí)會(huì)以顏色變化和響鈴的方式進(jìn)行報(bào)警。*圖表分析:以年/月/日等時(shí)間長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)溫度和電量變化。*系統(tǒng)管理:包括配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、記錄運(yùn)行日志、新建修改用戶和限制用戶權(quán)限等。

4測(cè)試結(jié)果

4．1測(cè)溫精度

在測(cè)溫精度測(cè)試中，通過(guò)IKA加熱板實(shí)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(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)的溫度均勻穩(wěn)定。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和電偶溫度計(jì)的測(cè)量值分別作為測(cè)量溫度和參考溫度，每個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)測(cè)量并記錄三組數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)測(cè)溫精度在±1℃以內(nèi)。

4．2高壓可靠性

抗高壓、耐擊穿性能是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在測(cè)試中，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)置于高壓銅盤上進(jìn)行溫度測(cè)量，定時(shí)將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給從基站。根據(jù)電氣設(shè)備高壓規(guī)格，銅盤電壓分別設(shè)置為0kV、10kV、35kV和100kV。受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，無(wú)線通信測(cè)試距離最遠(yuǎn)只能達(dá)到20米，因此從基站分別在距離節(jié)點(diǎn)10/15/20米位置處接收測(cè)溫節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)設(shè)置每分鐘發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)接收10幀數(shù)據(jù)，分別測(cè)試測(cè)溫精度、通信質(zhì)量等指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在100kV下的不同等級(jí)高壓下都能可靠地工作。

4．3測(cè)溫節(jié)點(diǎn)功耗

節(jié)點(diǎn)功耗也是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它決定了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作時(shí)間。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在正常工作時(shí)可能處于低功耗、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線發(fā)送和無(wú)線接收這4種狀態(tài)中的一種。在室溫下測(cè)試滿壓(3V)時(shí)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)各狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間和工作電流，測(cè)量結(jié)果如表3所示。其中，工作電壓由Keithley2400源表提供，電流通過(guò)源表電流測(cè)試檔讀取，狀態(tài)持續(xù)時(shí)間通過(guò)示波器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)平均電流可用式I=∑4i=1Ii•tiT計(jì)算，其中T為定時(shí)通信周期，Ii為各狀態(tài)的工作電流，ti為各狀態(tài)在單個(gè)通信周期內(nèi)的累計(jì)持續(xù)時(shí)間。低功耗和數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間與定時(shí)通信周期和定時(shí)采集周期有關(guān)。在通信周期為1小時(shí)、采集周期為1分鐘的情況下，可計(jì)算得到測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的平均電流為36μA。節(jié)點(diǎn)可在1000mAh的電池供電的情況下持續(xù)工作3年以上。

本文提出了一種新型的變電站電氣設(shè)備在線測(cè)溫系統(tǒng)。通過(guò)采用非接觸式測(cè)溫、低功耗設(shè)計(jì)和近距離無(wú)線通信等技術(shù)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可靠和低功耗的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，能24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)溫度，有力保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

本文作者：李立萬(wàn)媛蘇志杰李臻工作單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所