摘要：为能采集关键电力设备接点的实时温度,同时需要解决有线测量温度的短板(测量回路多、安装空间有线,导致布线及维护难度较大),针对铅锌冶炼工业的特点及需求,将无线无源传感器与Zigbee无线通信技术相结合,并将物联网技术及移动互联网与电力自动化技术相结合,提出了智能化测温系统方案,在云南驰宏会泽冶炼分公司进行试点应用。结果表明,该无线测温系统具有结构简单可靠、扩展性好、布点灵活等特点,进一步推广应用。
关键词：无线测温;Zigbee;物联网;无线无源传感器
1铅锌冶炼工业电气装置需求分析
铅锌冶炼工业是个庞大复杂的工业生产系统,大量使用中低压开关柜、高压电动机、发电机等电气设备。对自动化程度和连续生产的高要求,不仅对其供电可靠性越来越高,而且对冶炼工业系统内关键的配电及高压电动机设备的稳定可靠性也提出了更高的要求。电气设备在长期运行过程中,电气一次模块触点和连接等部位因老化或接触电阻过大而发热,进而导致接头异常升温甚至引发燃爆事故。变电站或配电室内开关柜等电气设备安装密集,电动机也都是各工艺段的关键设备,故此类事故可能会导致大量电气设备损坏,并引发下游大范围供电线路或重要用电设备突然停电,造成巨大的直接和间接经济损失。
近年来,传感器及物联网,设备的在线监测,及大数据分析等技术的快速发展,结合铅锌冶炼工业的特点及需求,新技术的研究与应用对解决此类问题提供了新的解决方案。
2关键新技术的选用
针对上述提出的问题,结合温度传感器、Zigbee无线传输、云应用及大数据分析技术现状,本文提出了多种新技术的解决方案并结合实际案例进行应用。
2.1温度测量技术的选用
传统的测温方法包括通过热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温，温度传感器与测温仪之间采用金属导线传输温度信号。电气设备测温检测，由于温度传感器直接安装于高压接点/触点上，其信号传输金属导线的绝缘性能无法保证。同时，对于改造类项目实施难度较大，因此推荐采用无线测温方法进行检测。目前无线测温方法包括感应供电无线测温、CT取电测温、电池供电无线测温方式及红外在线测温方式。红外测温需要镜头对准发热点，尘土震动对其影响较大;有源无源测温较合适，无需布线，易于安装，但有源测温需要外供电池，受电池寿命影响，需要更换;CT取电测温安装相对复杂，受自身发热影响，误动作概率明显高于前者;表1详细比较了各种无线测温方法的性能。
综上，类比不同形式的无线测温方式，感应供电无线测温具有测温速度快、周期短、免维护、使用寿命长、故障率低等特点。
2.2无线传输技术选用
无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，其中应用较为广泛及具有较好发展前景的短距离无线通信方式包括∶Zigbee技术、蓝牙技术（Bluetooth）、工业无线技术（WiFi）、超宽带技术（UWB）、近场通信技术(NFC)。
蓝牙技术(Bluetooth)属于一种超短距离的无线传输技术,传输距离在10m范围以内,传输速率约1Mb/s,其有效速率约为723kb/s;超宽带技术(UWB)传输速率一般结余53-480Mb/s传输距离小于40m;近场通信技术(NFC)适用于近距离贴近操作。Zigbee技术的主要特征包括:传输速率较低;通信距离较近;设备功耗低,发射输出仅为为0-3.6dBm;通信组网简洁。这些主要特征使Zigbee通信技术传输数据稳定可靠,同时输出的数据容量也比较大。表2给出了几种技术性能比较。
表2无线传输技术性能比较
Zigbee通信协议的制定是由IEEE802.15.4团队和Zigbee联盟共同完成。该通信技术的PHY层和MAC层执行IEEE802.15.4的标准协议，网络层的制定由Zigbee联盟完成，应用层比较开放，允许用户按照不同的需求，自主进行开发。
Zigbee通信工作频段共包含3个，本项目采用的无源测温传感器采用2.4GHz频段，该频段的数据传输速率为250kbps，其分为16个信道，目前为全球通用，且免申请无需付费。为了化降低无线电载波通信间的相互冲突，选用CSMA-CA方式（免冲突多载波信道接入技术）;为了保证通信数据的安全，选用密钥长度为128位的加密算法对数据进行加密。
Zigbee组网拓扑结构支持2种方式∶星型结构和网格对等结构。本项目采用混合型网络拓扑结构，将2种拓扑结构结合使用，形成簇树状网络结构。簇树状网络结构如图1所示。一般簇树状网络分配网络地址方案为分布式地址分配，具体为每一个父设备分配一个有限的网络地址段。并目被分配的地h址在特定网络中是唯—的。针对网络中设定好深度的节点，由父设备分配的自区段地址数为Cskip(d)，计算公式为∶
式中d-该设备在树状拓扑中的网络深度;
Cm-由父设备管理的子设备数量的值;
Lm-簇树网络设计深度;
Rm-路由器被父设备作为子设备的数。
图1 Zigbee簇树状网络结构
由公式计算出的Cskip(d)值,为父设备向子设备分配网络地址时的偏移值。父设备首先给网络拓扑中的子簇头设备分配地址,规则为比父设备自身地址增1,后续的子簇头设备的地址,按照以Cskip(d)间隔规则继续分配,按照这个原则为拓扑结构中所有子簇头分配地址。
2.3移动互联网与云技术选用
传统的系统监控及运行一般以集中式或者分布式的SCADA系统应用为主,并在控制室内由操作员及工程师使用。随着移动互联网及智能手机的发展和应用,通过传感器监测到的关键设备的各种实时数据也可以通过无线网络传输到远方云服务器,特别是对于区域广,布线困难的区段,数据的获取将会变得更加方便和容易。传输到云服务器上的数据比起传统专门的服务器存储,成本更低,可靠性更高,供不同用户使用更方便。通过无线网络传输到云服务器的数据,可以通过智能手机的APP显示出来,并通过不同的功能模块定制化实现。根据不同
用户的需求和设备使用情况,可以对存储的数据按照既定算法进行数据分析,及早通过数据对比发现异常数据,并给予用户提示或者告警信息,减少及降低设备故障甚至事故的发生。
3应用方案综述
云南驰宏会泽的铅锌冶炼厂目前每年生产约10万吨锌和6万吨铅,厂区内包含中低压配电室50多个,并使用50个以上的高压电动机,需要将厂区内的关键开关柜及高压电动机进行智能测温改造。经过技术对比,使用无线无源“温度传感器+Zig-Bee冶温度监测系统,准确的采集关键设备及设备关键部位的温度信号并通过智能网关,接入会泽冶炼分公司既有的光纤通讯网络,实现网络及数据共享,通过控制中心的无线测温监测系统,实现温度信号的实时监测,超温部位及设备定位,超温报警,保证关键设备寿命及生产连续性,减少及避免潜在事故的风险。并且,依靠云服务的“千里眼”系统,实现了测温信号的移动运维,不仅可以通过智能手机实时监控到关键设备的温度,并能在超温时自动发出报警信号,及时推送到具体负责人员的智能手机终端,实现高效的问题处理,降低配电装置及电气设备事故风险,保证供电可靠性,生产连续性及安全生产。应用方案的基本架构如图2所示。
温度传感器自供电基于网络电流,与测量点直接接触可以确保高性能的准确的温度监测。并且,温度传感器非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。
温度传感器采用ZigBee节能型通信协议,确保有可靠和强大的通信能力,可以用来创建共享的操作解决方案。温度传感器自供电基于网络电流,与测量点直接接触可以确保高性能的准确的温度监测。并且,温度传感器非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。温度传感器的图片及在项目应用中的场景如图3所示。
5结语
无线测温系统在云南驰宏会泽铅锌冶炼厂的智能化测温改造及应用,配套管理系统及千里眼APP提供温度异常告警、实时设备温度采集、周期性温度监测及报表、设备状态评估等功能,能减少及避免重大因温度导致故障的发生。系统运用效果良好,大量减少了运维及管理人员的工作量,提高了检修操作的精度。在项目执行过程中,因停电时间有限,改造工作复杂,仍有部分设备未能实现温度实时监测,需要进一步优化测温系统的施工方法,提高安装效率。其次,随着技术的发展和其它传感器的应用,从不同角度获得关键设备及系统的数据,更客观地进行设备及系统监测,作为下步研究工作方向之一。而且,智能化、万物互联等新技术的应用,会对运维人员的能力及习惯提出更高的要求,智能化系统需要进一步提高用户的实际体验,开发更多更贴近用户的功能,比如资产管理、工单处理、故障排除等,得到更多的应用。
