矿用低压配电柜温度监测系统设计

刘明琦

（北京机床研究所有限公司，北京100102）

随着我国电力快速发展和持续转型升级，大电网不断延伸、电压等级不断提高、大容量高参数发电机组不断增多，新能源发电大规模集中并网，电力设备种类和数量不断增加，电力系统形态及运行特性日趋复杂，对系统支撑能力、转移能力、调节能力提出了更高要求[1]。低压配电柜作为企业、学校、医院、大型酒店等用户电力网络的重要设备，主要用于并入和切除下级用电设备，具有故障保护功能，在配电网络中起到控制和保护双重作用。

从20 世纪80 年代我国开始引进低压配电柜，到90 年代逐步形成成套的设施，通过将国外先进设备引进中国，在技术上实现了很大突破。从引进的国外设备来看，这些设备在设备故障防护水平、柜体设计、加工工艺程度以及智能化开关设备中都具有先进的水平。同时也推动了国内各大企业致力于集中监控，更加积极的进行智能化低压成套设施与智能化开关。长期运行部件老化、封闭运行热量集中、封闭结构不利于热量散发等导致低压配电柜温升过高，长时间得不到有效处理直接威胁低压配电柜产品性能，甚至引起停电或火灾等事故[2]。矿用低压配电柜是矿山主要的配电设备，其性能好坏直接关系到矿山安全生产工作能否顺利开展。因此开展关于矿用低压配电柜温度实时监测技术的研究，对于提升煤矿低压配电系统稳定性和安全性、保证矿用电气设备安全具有十分重要的意义。

无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通讯技术常用的有Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、射频技术等，免布线、安装方便时无线通讯技术的主要优点。射频通信常用的频段为315、433、868、915 MHz 等，其中433 MHz 在我国为免费且不需要许可认证的专用收发频段，射频通信技术具有穿透能力强、功耗低、通讯距离远、成本低等优点，广泛应用在工业控制、状态监控、智能家居、医疗器械等领域[3-5]。

1 矿用低压配电柜温度监控系统结构

基于433 MHz 无线通讯技术的矿用低压配电柜温度监测系统利用433 MHz 网络作为温度数据传输的方式，实现对矿用低压配电柜的温度参数实时监测、传输、显示和故障保护功能[6-7]。矿用低压配电柜温度监测系统主要由温度传感器组、433 MHz网络、电源模块、PLC、复位单元、报警单元、通讯单元、监控主机等组成，其中PLC 采集433 MHz 网络反馈的温度数据，并进行数据计算和比较，在温度异常情况下进行报警，同时通过通讯单元将温度数据和矿用低压配电柜运行状态发送到监控主机。433 MHz 无线网络实现温度传感器组的温度数据和PLC 之间的无线通讯[8]。温度传感器组用于采集矿用低压配电柜温度参数。矿用低压配电柜温度监测系统结构简图如图1。

图1 矿用低压配电柜温度监测系统结构简图

2 系统硬件

2.1 PLC

S7-200 属于SIMATIC 系列PLC 中微型产品，为无风扇、模块化结构，具有结构紧凑、可靠性高的优点，编程语言为梯形图、语句表和功能块3 种模式，指令功能强大，易于掌握、操作方便。S7-200PLC本机集成了输入输出端口和24V 负载电源，可以选择不同的电源电压和控制电压，内部集成了电源、高级电容和实时时钟。S7-200PLC 指令功能强大，有布尔、传送、比较、移位、产生补码、调用子程序、算数运算、数制转换、字逻辑运算等指令，可以采用主程序、中断程序和最多八级子程序结构，可使用1～255 ms 定时中断。程序中可以设置多级口令保护，监控定时器的定时时间为300 ms。S7-200PLC 还支持模拟量输出、模拟量输入、数字量输出、数字量输入、测温模块、通信模块的扩展功能，为CPU 增加大量的附加功能。

2.2 温度传感器

温度数据采集是整个温度监测系统的核心，温度数据的可靠性直接关系到整个矿用低压配电柜温度监测系统的安全性。采用铂金属电阻Pt100 作为温度传感器，其温度和电阻的转换公式为：

式中：Rt为温度传感器的电阻值；T 为摄氏温度值。

Pt100 温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，温度的采集范围可以在-50～+150℃，绝缘电阻在20℃时大于100 MΩ，时，精度最小达到0.15℃，供电电源为+7.5～30 V，功耗小于0.1 W。利用Pt100 电阻测温时，传感器内部电路将温度变化△T 引起的阻值变化△R 转换为电压变化△V，再通过433 MHz 无线通讯技术传递给PLC 上进行数据计算[9]。

2.3 433MHz无线模块

433 MHz 无线通讯技术采用是基于瑞士AX5043 射频芯片的50 mW 窄带传输模块E31-TTL-50。E31-TTL-50 具有传输距离远、抗干扰能力强及功率密度比较集中等优点，同时模块支持ASK、GFSK 等多种调制解调方式，工作频段为425～450 MHz，可采用多电平供电方式（2.1～5.5 V），最大数据传输速度达70 kbps，同时具有数据的压缩和加密功能[10]。

2.4 通讯单元

PLC 具有强大的网络连接功能，可以方便的联入计算机、人机接口设备及其他处理器。S7-200 型PLC 通讯接口为RS-485 信号接口，利用PC/PPI 电缆与计算机实现网络连接。通讯模式具有点对点通讯和自由通讯2 种，点对点通讯用于实现PLC 与编程器等产品之间通讯，自由通讯用户可以自己定义通讯协议。点对点通讯只能应用在停止方式下，而自由通讯可以应用在运行方式下。

3 系统软件流程

STEP7 为专用软件编译平台，具有硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能，以项目方式来管理一个自动化系统的硬件和软件。矿用低压配电柜温度监测系统软件用于实现参数设置、传感器数据运算、故障报警等功能，主程序流程图如图2。

4 结 语

以PLC 为核心设计矿用低压配电柜温度监测系统，具有结构简单、可靠性好等优点，为矿用低压配电柜运行参数自动化和矿用电气设备智能化技术的发展提供参考。

图2 主程序流程图