无线测温系统在铅锌冶炼电力设备上的应用

段正华,彭俊超,徐安江

(云南驰宏锌锗股份有限公司,云南曲靖 655000)

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[1]。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)。

表1 无线测温技术性能比较

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10 m 范围以内,最高传输速率约1 Mb/s,其有效速率约为723 kb/s;超宽带技术(UWB)传输速率一般结余53～480 Mb/s 传输距离小于40 m;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;设备功耗极低,发射输出仅为为0～3.6 dBm;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2.4 GHz 频段,该频段的数据传输速率最大为250 kbps,其分为16 个信道,目前为全球通用,且免申请无需付费。为了最大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[2]。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,并且被分配的地址在特定网络中是唯一的。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最大值;

LM—簇树网络设计最大深度;

图1 Zigbee 簇树状网络结构

Rm—路由器被父设备作为子设备的最大数。

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第一个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)为间隔规则继续分配,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”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[3],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,超温部位及设备精准定位,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,极大的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。

图2 智能测温系统架构

3.1 无线无源测温:“温度传感器+ZigBee”

经过技术对比,选定Easergy TH110 温度传感器[4]。其主要性能参数如表3 所示。

表3 Easergy TH110 温度传感器参数表

Easergy TH110 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,TH110 非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。

TH110 采用ZigBee 节能型通信协议,Easergy TH110 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。Easergy TH110 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,TH110 非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。TH110 的图片及在项目应用中的场景如图3 所示。

图3 TH110 外观及应用于开关柜及高压电动机

比较重要的工艺段相关配电室开关柜及高压电动机都安装了TH110 的温度传感器,包括粉煤制备、艾萨炉电收尘、铅熔炼循环水泵房烟化炉收尘、熔化炉、余热发电站(西)、铅渣过滤干燥、10 kV 铅鼓风机房等区间。

3.2 测温系统网络架构

由于测温传感器分布区域广,数量多,测温系统架构采用以太网作为主要架构,并利用既有的视频监控系统网络,节省成本并极大地降低了施工难度。

(1)现场的各TH110 温度传感器通过Zigbee 协议无线传输到温度接收装置。

(2)温度接收装置通过Modbus RTU 通信协议将温度信号传输到各个现场的网关。

(3)网关将协议装换为Modbus TCP 规约,并经现场的以太网交换机,通过光纤通道传输到控制中心的工作站中。

(4)千里眼服务器也接入通信网络,将各TH110 的测温数据上传到云平台,以供智能手机的千里眼APP 使用。以焙烧炉硫酸子系统网络架构如图4 所示。

3.3 测温监测SCADA

测温监测SCADA 系统选用施耐德EcoStruxure SCADA 软件,其后台监测工作站放于会冶控制中心内。监测工作站HMI 界面设计采用简洁原则设计,按照电力一次系统结构规划整体HMI 界面。所有区间测温传感器的历史数据都可以通过SCADA 系统显示出来,便于用户与实时温度数据相比较。当传感器测温数据高于设定的报警值,SCADA 系统会发出报警指示给操作员,并可以定位到具体的设备及安装部位,方便工程师去现场进行查看及风险评估,消除潜在故障的风险。图5 为传感器记录的温度数据曲线。

3.4 云平台“千里眼”系统

千里眼系统是物联网IOT 技术的应用体现之一。图6 为千里眼APP 应用截图。IOT 由IT 信息技术和OT 运营技术深度融合,能够极大的改造电力设备,实现过程和能源的优化。本项目中,通过千里眼的应用,将会冶厂区内各安装TH110 温度传感器的开关柜及高压电动机关键设备的温度数据进行处理,为配电设备运行状态监视、运行维护作业管理和设备资产管理提供“互联网+”灵活应用方案。而且,千里眼可以提供报警管理,可以根据严重程度区分不同等级的报警,并通过短信通知用户,让用户在第一时间获取报警信息,并可以通过手机APP 确认和记录报警事件,筛选和导出报警信息,形成专门的报告,预防事故及故障的发生[5]。除了智能手机端显示温度型号及提供报警之外,千里眼还可提供资产快查及工单派工的功能,提高用户的运维效率及智能化程度。

图4 焙烧炉硫酸子系统网络架构

图5 温度历史数据曲线

4 结语

图6 千里眼APP 应用截图

无线测温系统在云南驰宏会泽铅锌冶炼厂的首次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准度。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。