基于ARM的SF6在线仪表校验装置

任世超，汪献忠，陈富强

(1．郑州大学物理工程学院，河南郑州 450001；2．日立信股份有限公司，河南郑州 450001)

0 引言

SF6以其优异的绝缘和灭弧性能，被广泛应用于电力行业的高压、超高压断路器和GIS组合电器变电设备中[1]。但是由于设备制造质量、安装工艺、密封元件老化、充气压力等原因，SF6电气设备中SF6气体的泄漏是难以避免的。因此在装有SF6电气设备的开关室、SF6主变室等场所除安装强力通风装置外，还需要安装大量SF6在线检漏仪表，用于实时监测SF6气体的泄漏情况[2]。在线检漏仪表是全天候工作的，随着时间推移，仪表内部的传感器需要重新校准，以确保仪表的性能满足技术指标要求，而校验的手段直接关系到仪表的质量以及生产效率。

针对实际应用需求，研制了该在线仪表校验设备，该装置采用智能控制算法，能够快速、准确地校准多种在线、手持SF6检漏仪表。可广泛地应用于电力系统及使用SF6相关电器设备的厂家。

1 系统总体结构

图1所示为SF6在线仪表校验装置总体结构框图。该装置主要有四大模块组成，分别是校验气体发生模块、校验箱模块、测量模块和执行模块。

校验仪表时首先由校验气体发生模块产生标准气体，然后送入校验箱。通过测量模块上的SF6和O2传感器实时测量箱内气体浓度，并反馈给气体发生模块，不断修正气体浓度以达到设定的浓度值。仪表校验完成后，打开箱内的大功率空气泵，可以在几分钟内置换完箱内气体，以达到回收利用、绿色无污染的目的。

图1 在线校验装置结构框图

2 系统的硬件设计

装置内硬件以STM32F103为核心，由传感器模块、通信模块、声光报警模块、液晶显示模块、接线端口模块等组成。如图2所示。其中传感器模块和校验气体发生模块与主控采用RS485总线通信。

图2 在线校验装置硬件框图

2．1 微控制器及其外围模块

STM32F103是基于ARM Cortex-M3内核的低功耗高效芯片，工作电压范围是2．0～3．6 V．Cortex-M3 内核基于ARMv7-M指令集，同时支持16-bit和32-bit指令，具有丰富的中断资源[3]。

电源部分采用了三端稳压芯片TPS5430以给系统提供合适的稳定电压。为了存储历史数据，系统使用SST25VF016B芯片外扩了存储空间。通过温度芯片ADT7310，检测仪可对数据做温度补偿。

2．2 传感器模块

SF6浓度检测传感器采用高性能进口红外SF6气体传感器，分辨率为1 ppm，精度达2% FS。能够准确测量SF6气体浓度，对环境适应能力强，基本不受测试环境和温度等干扰因素影响。氧气浓度传感器采用KE-25传感器，该传感器响应时间短，精度达±1% FS，寿命长，不受CO2，CO，H2S，NOx，H2影响，而且成本低，在常温下工作信号输出稳定。

把SF6和O2两个传感器固定在一块传感单元电路板上，放置于箱体内部，控制板通过485总线接口与传感单元电路板通信，从而校准传感器。

2．3 通信模块

通信模 块 通 过 串 口 与 上 位 机 通 讯。使 用 串 口 芯 片MAX3221将 TTL电平转化为RS232电平，与上位机之间的通讯协议采用MODBUS协议。

其中使用ADM2587芯片实现RS485总线上数据隔离传输，ADM2587是ADI推出的单电源隔离型485芯片。适合用于工控、电力、仪表、安防等各种485隔离场合。

2．4 校验气体发生模块

校验气体发生模块原理为质量流量混合法。采用高精度的质量流量控制器，控制稀释气体及组分气体的流量。稀释气体采用高纯氮，组分气体可为纯气或已知浓度的混合标气。通过准确的配置便可配置出设定浓度值的标准气体。

校验气体发生模块主要包括数据采集卡和质量流量控制器。其组成结构如图3所示，V1、V2为质量流量控制器。

图3 校验气体发生模块组成图

AD芯片采集到的信号经模数转换后再经AD8572放大器放大，最后传给主控芯片。主控的信号通过DAC7571数模转换芯片转换为模拟信号，然后再控制质量流量控制器。

为了精确控制流量，采用瑞士SFC4000型高精度质量流量控制器，它能够在较宽的量程范围快速而精确地控制气体流量。SFC4000设备的精度、重复性、响应速度等性能都优于传统的质量流量控制器。它可以在1 MPa的输入压力、0～50 ℃的环境及气体温度下工作，并能抵抗电磁干扰。

3 系统的软件设计

系统软件采用C语言设计，采用模块化思想，使程序易于移植和维护。该SF6气体在线仪表校验装置能够实时测量并显示当前SF6浓度值，同时具有超限自我保护功能，当压强超出设定值时进行声光报警[4]。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

开机后，系统进行初始化，等待各项进入稳定工作状态，保证监测的准确性。为了快速精确地产生标准气体，该装置中采用的智能控制算法为自适应模糊PID控制方法[5]。自适应模糊PID控制系统是将PI控制策略引入模糊控制器，并将模糊控制与PID控制相结合，利用模糊控制规则对PID参数实时地进行在线修改，以达到理想的控制效果。它主要由模糊控制推理系统和参数可调整的PID控制系统组成，其结构见图5。图中，r为浓度的给定值；c为浓度的实测值；偏差e=|r-c|；ec为偏差的变化率；KP、KI、KD均为需整定的PID参数。

图5 自适应模糊PID控制系统结构框图

采用自适应模糊PID控制系统系统响应速度快、超调量小，且稳定性好。不仅提高了系统的运行速度，还缩短了系统的调节时间，具有良好的控制性能。

4 数据及分析

数字PID算法用增量式表示为：

(1)

将式(1)写成如下的形式：

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

由于气体浓度响应具有迟滞性，采用常规PID算法会出现较大的超调量，为了解决这一问题，设计采用自适应模糊PID控制算法，从实验结果来看，性能指标有明显提高。

图6、图7所示分别为不采用智能控制算法与采用智能控制算法的校验箱内SF6气体浓度上升速率图。

图6 未采用智能控制算法的校验箱内SF6气体浓度上升速率图

图7 采用智能控制算法的校验箱内SF6气体浓度上升速率图

从上图可以看出，不采用智能控制算法时，校验箱内SF6气体浓度达到设定值需要50 min左右，而采用智能控制算法后仅需7 mim左右，且此过程所需时间会随着校验箱内仪表体积的大小而智能增减。

5 结束语

经过实验测试表明，该装置可以在10 min之内完成一次仪表校验，完全达到主要性能指标要求，且人机界面好，操作简单方便，实时性好，可靠性高。测量范围0～1 000 ppm，分辨率为1 ppm，精度为2% FS，满足电力系统及使用SF6相关电器设备的厂家的需求。

参考文献：

[1] 郭利民，赵红梅，吕运朋，等．SF6气体泄漏环境在线智能检测系统的设计．仪表技术与传感器，2011(8)：76-78．

[2] GB 26860—2011 电力安全工作规程发电厂和变电站电气部分．

[3] 陈启军，余有灵，张伟等．嵌入式系统及其应用——基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发．上海：同济大学出版社，2011．

[4] 王雷，赵红梅，汪献忠，等．高性能红外SF6传感器．仪表技术与传感器，2013(1)：7-9．

[5] 陈金祥．SF6密度继电器现场校验仪的研制．高压电器，2003，39(5)：67-69．

[6] 李二超，李伟，王洪瑞．一种PID型自适应模糊控制的设计及其应用．制造业自动化，2007，29(3)：55-57．