淺談無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)在高壓開(kāi)關(guān)柜中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用選型

時(shí)間：2020-11-20作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：50

朱鹍

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的有線(xiàn)測(cè)溫方法因無(wú)法徹底解決高壓絕緣問(wèn)題而不能應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜溫度檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中存在 的問(wèn)題并給出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可穩(wěn)定地運(yùn)行于工作環(huán)境，滿(mǎn)足一次安裝、２ａ內(nèi)維護(hù)的要求。

 

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜；溫度檢測(cè)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；ZiBee；J**148；DS18B20

 

0 引 言

 高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行過(guò)程中，柜內(nèi)觸點(diǎn)與母線(xiàn)連接處、動(dòng)靜觸頭電路發(fā)熱過(guò)大，易引發(fā)停電和火災(zāi)事故。因此，高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)尤其是三相觸點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)非常重要。

  高壓設(shè)備存在裸露電壓，傳統(tǒng)的有線(xiàn)溫度檢測(cè)方法因無(wú)法徹底解決高壓絕緣問(wèn)題而不能應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行信息傳輸，不需要布線(xiàn)，與高壓設(shè)備等電勢(shì)，不需要采取絕緣措施。因而無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)可解決高壓設(shè)備測(cè)溫難題。本文采用ＡＲＭ 單片機(jī)及無(wú)線(xiàn)模塊ＪＮ5148構(gòu)建星形結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度監(jiān)測(cè)。

1 ZiBee技術(shù)

ZiBee 網(wǎng) 絡(luò) 有 協(xié) 調(diào) 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和終端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 種功能器件［２］。前２種功能器件具有信息中繼功能，稱(chēng)為全功能設(shè)備（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而終端只能接收、發(fā)送與本身有關(guān)的信息，稱(chēng) 為精簡(jiǎn)功能設(shè)備 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器有且只有１個(gè)。ZiBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星形、網(wǎng) 狀、樹(shù) 狀 ３種，如圖１所示。其中星形結(jié)構(gòu)具有便于集中控制、易維護(hù)、安全等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

 

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)３個(gè)部分組成，如圖２所示。三相觸點(diǎn)、母線(xiàn)連接處的溫度是監(jiān)測(cè)，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)三相觸點(diǎn)、３個(gè)母線(xiàn)連接處共６個(gè)位置各安裝１個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。三相觸點(diǎn)處測(cè)溫節(jié)點(diǎn)置于靜觸頭上，母線(xiàn)連接處測(cè)溫節(jié)點(diǎn)置于導(dǎo)電臂上，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)傳感器與測(cè)溫部位間涂抹導(dǎo)熱硅脂以熱量的充分傳遞。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中為終端節(jié)點(diǎn)。各開(kāi)關(guān)柜內(nèi)還放置１個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)一方面作為ZiBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、收集數(shù)據(jù)，另一方面作為 Ｍｏｄｂｕｓ從站響應(yīng)來(lái)自上位機(jī)的請(qǐng)求幀，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。各開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的６個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和１個(gè)中心節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZiBee星形網(wǎng)絡(luò)，不同開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的ZiBee網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，各自之間不存在信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題。

 

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)溫度的同時(shí)，利用無(wú)線(xiàn)模塊內(nèi)自帶的電壓檢測(cè)功能對(duì)節(jié)點(diǎn)供電電壓進(jìn)行檢測(cè)，與溫度值一同發(fā)送。上位機(jī)將接收到的溫度、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)，并提供查詢(xún)功能，同時(shí)在溫度值過(guò)預(yù)警值或電壓值閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)是高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的基本裝置，負(fù)責(zé)采集和發(fā)送溫度值、電壓值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和電源模塊組成，如圖３所示。

 

圖３ 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)組成

ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生產(chǎn)的三代低功耗、高 性 能 無(wú) 線(xiàn) 模 塊。ＪＮ５１４８ 可 支 持  新 的ZiBee協(xié)議———ZiBeePRO，休眠電流為２．６μＡ，通信距離（可視）可達(dá)１ｋｍ，發(fā)送電流為１５ ｍＡ，接收電流為 １７．５ ｍＡ，工 作電壓為 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 了ＪＮ５１４８強(qiáng)大的處理能力。該系統(tǒng)中應(yīng)用的ＪＮ５１４８模塊自帶陶瓷天線(xiàn)，免去了復(fù)雜的射頻設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和高成本的開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程。

ＤＳ１８Ｂ２０為 Ｄａｌｌａｓ公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測(cè)量范圍為－５５～＋１２５ ℃，測(cè)量精度為0.5℃，可滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)溫要求。

電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節(jié)鋰電池額定電壓為3.6Ｖ，容量達(dá)２４００ ｍＡ·ｈ。

 

3.２中心節(jié)點(diǎn)

 

中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖４所示。

 

 

中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收測(cè)溫節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息并上傳信息給上位機(jī)，同時(shí)將信息顯示在放置于開(kāi)關(guān)柜柜門(mén)上的液晶屏上，以供現(xiàn)場(chǎng)察看。為調(diào)整監(jiān)測(cè)、通信參數(shù)，中心節(jié)點(diǎn)還接有鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備。中心節(jié)點(diǎn)工作量大、占用管腳數(shù)多，用ＪＮ５１４８ 作為**控制器存在程序不易設(shè)計(jì)、管腳數(shù)量少的缺點(diǎn)，故選用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作為中心節(jié)點(diǎn)ＭＣＵ，ＪＮ５１４８僅作為無(wú)線(xiàn)傳輸單元，與ＬＰＣ２１３２之間通過(guò)串口通信。由于中心節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)期不間斷工作，因此，電源采用電網(wǎng)交流供電。

 

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ＪＮ５１４８應(yīng)用ZiBeePRO協(xié)議棧，運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。ＪｅｎＯＳ在調(diào)度不同**級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)具備及時(shí)性和靈活性。ＪＮ５１４８的集成開(kāi)發(fā)環(huán)  境為ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，該軟件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代碼編輯和編譯環(huán)境，可在Ｊｅｎｎｉｃ官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載，從而降低了開(kāi)發(fā)成本。

4.1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件

 

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)上電后先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，然后搜索ZiBee網(wǎng)絡(luò)，如存在則加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后即開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過(guò)端口中斷觸發(fā)喚醒，本設(shè)計(jì)采用睡眠功耗模式，即由實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒。為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)睡眠機(jī)制，即在溫度 正常時(shí)睡眠時(shí)間為設(shè)定的基準(zhǔn)值，當(dāng)溫度升高時(shí)睡眠 時(shí)間將在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上減小，溫度越高睡眠時(shí)間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變?yōu)樵O(shè)定基準(zhǔn)值。睡眠基準(zhǔn)值范圍為３～６００ｓ。相對(duì)于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設(shè)計(jì)中電壓檢測(cè)周期比溫度檢測(cè)周期大。圖５為測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件程序流程。

 

4.2中心節(jié)點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊軟件

中心節(jié)點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，上電后先對(duì)硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后即等待終端 加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給 ＬＰＣ２１３２。上位機(jī)與ＬＰＣ２１３２ 之間通過(guò)ＲＳ４８５現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接，采用Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議傳輸信息。上位機(jī)作為 Ｍｏｄｂｕｓ主機(jī)，各開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的 ＬＰＣ２１３２作為 Ｍｏｄｂｕｓ從機(jī)。圖６為中心節(jié)點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊軟件程序流程。

 

4.3上位機(jī)軟件

上位機(jī)管理軟件采用面向?qū)ο蟮?ＶＢ６．０開(kāi)發(fā)。上位機(jī)將接收到的溫度、電壓值及對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ＩＤ按時(shí)間線(xiàn)存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)處理后，用戶(hù)可通過(guò)該管理軟件查看任意節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢(shì)圖。另外，該軟件可在溫度值過(guò)預(yù)警值或電壓值閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，用戶(hù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的ＩＤ即可找到有異常情況的開(kāi)關(guān)柜。

 

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王福凱，蘭西柱，董瑞琦，李海洪，趙殷瑤．高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｊ］.工礦自動(dòng)化，2012(7)：108-112．

[2] 孫科，肖賓杰．ZigBee技術(shù)在測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用［Ｊ］．測(cè)控技術(shù)，2008（１）：36-38.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版.

 

 

作者簡(jiǎn)介：朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電


安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司專(zhuān)注于變電所運(yùn)維云平臺(tái),安全用電管理云平臺(tái),環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)等, 歡迎致電 15000353138

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