基于移动网络的绝缘油色谱远程自动化分析装置研究

马小林 董杰 任丽闪 刘湘 钱建华

[摘 要]针对目前传统实验室绝缘油色谱分析人工操作引起的系统误差大、需要人员全程值守的问题，采用基于移动网络的远程智能控制技术研制了一种可以实现远程自动分析的绝缘油色谱分析装置。该装置利用自动脱气及阀进样技术，避免了分析过程中的人为误差，通过预设智能控制装置及无线控制反馈功能，能够利用手机进行仪器远程操作控制、数据查询及智能分析，可以满足多种环境的应用，提高了工作效率及样品分析结果的重复性。

[关键词]远程控制;移动网络;自动化分析;绝缘油色谱

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.12.040

[中图分类号]F273;TM855[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）12-00-03

0     引 言

现阶段，电能是人们生活必不可少的部分，也是经济发展的重要支撑，因此保证电网安全稳定运行具有重大意义。电力变压器作为重要的输变电设备，运行状态对电力系统至关重要。随着社会对电网可靠性运行的要求越来越高以及电网自身的发展要求，变压器的状态检测技术显得尤为重要。目前，国内采用的变压器大部分是油浸式变压器，通过油中溶解气体色谱分析技术可以在变压器不停电的情况下，及时准确地判断出变压器是否存在故障，发现变压器中的局部以及潜在缺陷，保障电力系统可靠稳定运行。目前，便携式色谱仪和实验室色谱仪均无法实现远程控制，需要人员进行现场操作，在一些应急抢修过程中工作效率不高。如果仪器可以实现远程控制开机，就能减少等待时间，提高分析效率，更快地得到分析结果，为及时开展应急抢修奠定基础。如果便携式设备具备远程控制能力，则可以在现场持续工作，配合在线监测设备，得到更准确的实时分析结果。本文介绍了一种基于移动网络的远程智能控制技术实现远程自动分析的色谱装置、利用自动脱气及阀切换自动进样技术，使从注油到色谱分析的整个过程无须人工操作，避免人为操作导致的系统误差。随着移动网络技术的发展，利用其通讯低时延的特性，配合预设智能控制装置及无线控制反馈功能，通过手机远程控制装置启停及进样，实时观察气相色谱装置运行状态，将操作人员从烦琐的分析工作中解放出来，提高了分析效率。

1     自动化分析方案设计

传统实验室绝缘油色谱分析装置主要包括脱气装置及气相色谱仪两部分，多为分体式结构，造成了分析过程中人工操作步骤烦琐的问题，同时，分析结果还会受操作水平影响，导致试验结果重复，再现性较差。针对以上问题，该色谱装置利用自动脱气及阀切换进样技术实现了进油、脱气、进样、分离、检测器检测及数据分析存储过程的自动化，避免了人为误差，大大提高了分析结果的准确性。

1.1   全自动脱气技术

利用气相色谱仪进行变压器油中溶解气体分析时，油气分离是整个分析过程中的关键环节之一，影响分析结果的稳定性和准确性。传统实验室色谱分析多采用利用顶空取气原理的机械振荡-溶解平衡法，该方法装置简单，且稳定性和重复性比较好，但是该方法步骤烦琐，且对操作人员的试验水平有一定要求。因此，本文介绍了一种活塞式真空负压脱气方式，通过步进电机控制，对脱气室用变压器油样品进行冲洗，通过步进电机的位移控制，控制进入脱气室的样品体积。关闭脱气室外围电磁阀，步进电机带动活塞下移，在活塞和油样中间形成真空，随后，油样在重力作用下下移，脱出的气体上移到脱气室顶部。活塞在底部保持一段时间，保持脱气室内部的真空度。活塞上移到压力传感器到零压附近，继续下移，进行多次脱气。脱气完成后，活塞上移，排出脱出气体到进样系统，具体结构如图1所示。这种方式是一种低成本、工作可靠、脱气过程可控、全密封、工作效率高的脱气方式。

1.2   自动进样技术

目前，国内的变压器油色谱分析工作绝大部分都利用手动进样方式进行，色谱分析数据的误差有很大部分是进样操作过程中人为产生的。该装置利用六通阀，通过切换阀的状态实现自动进样，主要包括脱气状态及进样状态，具体工作流程如图2所示。

1.3   系统检测性能验证

GB/T 17623-2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》中对色谱系统的最小检测浓度、重复性及再现性均有明确要求，依据国标中的检测方法，对该装置检测性能进行了测试，检测结果均满足国标中规定的要求，说明该装置的检测数据是准确可靠的，具体检测数据如表1所示。

2     远程控制方案设计

为解决传统实验室色谱全程需要人工值守、劳动强度大的问题，该装置基于移动网络技术可实现绝缘油色谱分析装置的远程控制，由智能外部组件和智能控制软件组成，智能控制软件分别安装在色谱分析装置和预设智能控制装置中，通过手机APP远程控制进程，发出指令控制减压阀、氢气发生器、空气发生器、色谱仪的启停及进样分析，最终实现绝缘油色谱全自动流程化分析，工作站电脑分析软件利用人工智能算法进行数据分析筛选，及时发现异常设备，使辅助管理人员识别有效数据，提高检测数据的准确性和精度，形成一套全自动化绝缘油色谱分析系统。

2.1   遠程控制的硬件设计方案

色谱仪远程控制装置的硬件包括3.5吋单板电脑、控制电路板和电源模块。3.5吋单板电脑内运行色谱工作站，色谱工作站是整个系统的程序控制核心。一方面，通过和色谱主机通信完成色谱仪的原始数据采集以及色谱状态信息读取，然后根据移动端或本地的控制程序给色谱仪发送各种控制指令;另一方面，通过和云端控制平台通信，把色谱分析数据以及色谱仪工作状态数据上传到云端。同时，按照接收到的移动端应用程序发出的指令发送给色谱仪实现色谱仪远程控制。此外，色谱工作站和远程控制装置中的控制电路板通信实现对色谱仪主机电源、气源电源、钢瓶开关的控制指令交互控制，实现对仪器电源的远程开关控制。电路控制板含有复位功能和就地模式，启动复位功能，色谱仪、气源和工控电脑主板的电源会同时重启;就地模式主要在没有4G信号的情况下使用，启动就地模式后，色数数据会保存在工作站中，待4G信号恢复后，自动上传到APP终端。开关电源用于为工控电脑主板、电路控制板供电。指示灯板用于电源控制的通电显示和无线通信状态的显示，方便判断故障。

2.2   远程控制的软件设计方案

随着科技的进步和互联网的发展，即时通信软件逐渐得到普及，所以使用即时通信软件对色谱进行远程控制对色谱控制系统的研发具有重要意义。钉钉是阿里巴巴集团为中国企业打造的免费沟通和协同的多端平台，易操作，稳定性强。通过手机钉钉远程控制分析系统进程，发出指令控制减压阀、氢气发生器、空气发生器、色谱仪的启停及进样分析，实时观察气相色谱装置运行状态，且该装置能支持多个手机终端控制。

2.2.1   系统程序设计

在色谱系统上连接智能控制模块，再通过无线收发模块将采集的数据发往阿里云服务器。手机外网服务器部署在阿里云，接收无线模块上传的数据，给手机端提供程序服务。电路控制板通过无线通信功能接收到手机APP终端的控制命令，控制色谱仪、气源和工控电脑主板电源的通断。

2.2.2   控制电路

远程控制单元包括智能控制中心、通讯模块和执行电路。智能控制中心由单板电脑和色谱工作站组成，是整个系统的控制核心。单板电脑上有多个通信接口，一个USB接口用来和色谱主机通信，一个RS232接口和智能控制电路板通信，工控板上的网口可以用来实现就地控制或者通过局域网实现基于游线的远程控制。远程控制单元中的控制电路板包括MCU处理核心、4G无线通信模块、RS232通信接口单元、动作执行单元。MCU处理核心处理工作站发出的指令，同时把各个控制单元的状态反馈给工作站，4G无线通信模块完成和移动客户端的信息交互。在把工作站通过RS232传输过来的工作状态及色谱数据等信息转发出去的同时接收移动客户端发送的控制指令。RS232通信接口单元，通过和3.5寸单板电脑通信实现和色谱工作的信息交换。动作执行单元由4路带状态反馈的继电器电路实现，可以最多控制4个外设的220 V交流工作电源。通讯模块和控制执行电路设计在一块电路板上，无线通信模块采用板载式4G无线模块。执行电路板通过RS232接口和智能控制中心通讯。无线通信模块和工作站之间的通信由控制电路板上的MCU进行数据中转，4G模块将控制数据发送到安装钉钉软件的应用手机上控制客户端。控制电路板上设计了4路控制继电器，可以分别控制色谱仪主机、氢气发生器、空气发生器、色谱工作站等设备的电源。智能控制电路板有单独的供电模块，需要长期供电，保持4G无线通信模块和控制电路板的正常工作。

2.2.3   数据通信

智能控制模块与外网手机服务器的数据通信采用TCP协议，以串口数据转发的方式将指令数据或色谱数据打包成字节流进行点对点传输，保证数据在传输过程中的安全性。用户在手机端查看数据与远程控制则通过访问服务器网站进行操作与管理。

2.2.4   系统安全

手机端系统面向用户提供服务，主要面临来源于网站应用层面的风险与数据层面的风险。其中，数据层面的风险主要来自数据库自身的漏洞、用户权限、用户密码、数据通信等。针对涉及数据库的安全风险，通过数据库用户的密码及用户权限配置进行安全防护，通过升级数据库版本以及及时升级漏洞补丁等防护风险，且不对外开放数据库端口。针对数据通信方面的安全风险，为保证数据在传输过程中的安全性，系统要求在数据进行交换时对传递参数进行token验证，验证方式采用DES安全加密，如果验证不通过，则无法获取正确数据，进行安全防护。应用层面的风险主要来自网站应用和系统运行软件自身的一些风险漏洞。针对Web应用层面的风险，系统依托钉钉应用的验证方式过滤用户，只有通过验证的用户才能进行数据查看、远程控制等操作，非法登录的用户则无法获取任何信息，以此保证数据安全。

3     结 语

本文研发了一种基于移动网络的远程智能控制技术实现远程自动分析的色谱装置，与传统实验室色谱相比，融合了自动脱气、阀切换自动进样及智能控制技术，解决了传统实验室变压器油色谱分析工作中人工操作烦琐、系统误差大及工作强度高的问题，极大提高了工作效率及分析结果的准确性，并通过试验验证了系统的各方面性能，得出如下结论。①研发的自动脱气模块及自动进样模块，脱气速度快，效率高，避免了人工操作引入的系统误差，提高了工作效率及其准确性。②自动分析装置各方面性能突出，依据国标分别进行了最小检测浓度、重復性及再现性测试，该装置检测性能均优于国标中的要求。③基于移动网络的远程智能控制技术的应用，可以使用户通过手机进行色谱系统操作、数据查询及数据分析，及时发现异常设备，使辅助管理人员及时识别有效数据，提高检测数据的准确性和精度，形成一套全自动化绝缘油色谱分析系统。

主要参考文献

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