一种基于PLC控制的SF6气体监控系统

刘伟尔（浙江省嵊州市三溪江水利电力管理处，浙江省　嵊州市　312400）



一种基于PLC控制的SF6气体监控系统

刘伟尔（浙江省嵊州市三溪江水利电力管理处，浙江省嵊州市312400）

PLC控制的SF6气体监控系统主要用于水电站高压配电室的复杂情况，使用这种监控系统可以随时监控到SF6与氧气的浓度。本文对这种监控系统的工作原理以及该系统的硬件电气设计进行介绍，采用硬件设备的联机调试对SF6以及其他气体的浓度进行检测，以实现预期目标。

SF6气体；监控系统；工作原理；程序设计

引言

SF6气体在一般情况下具有无色、无毒以及不燃等特点，属于惰性气体，它的化学性质相对比较稳定，它的绝缘性能非常好，因此被普遍的使用在水电站或者发电站中。SF6在高温环境中与氧气、铝等很多物质发生反应，如果在电弧的作用下会产生分解，生成SF4、SO2、F2等低氟化合物，这些化合物含有毒成分会危害人体健康，因此，在这种比较复杂的工作环境需要一种比较安全而且稳定的监控系统对这些气体时时进行检测浓度。已往采用的AT89S51单片机的监控系统对这种比较复杂的环境不能发挥很好的抗干扰能力，不能安全稳定的进行长时间工作，也就满足不了工作需要，而PLC的抗干扰能力要比AT89S51单片机强很多，因此西门子PLC控制的SF6监控系统在复杂的工作环境就能发挥很好的效果。

1　系统组成原理以及功能

SF6气体监控系统的工作原理如图1所示，工作原理是：SF6气体传感器对配电装置的运行数据进行采集，通过A/D转换器以后将数据传送到PLC，然后PLC会对这些数据进行分析和判断，同时采用对应的处理程序。这种监控系统的主要组成部分有：浓度监控报警器、SF6与O2传感器、以及温湿度变送器等。当SF6气体以及氧气的浓度发生改变时，SF6传感器就能传达信号，将检测到的数据传送给PLC中，PLC经过分析和计算对SF6气体是否存在超标做出判断，如果超出范围，系统就会发出语音警报。这种系统也可以通过温湿度传感器可以检测空气的温度和湿度，如果室内的湿度过大，系统会自动发送信号控制风机的启动和关闭，保证空气中的温度和湿度在一定范围内，以免由于湿度过大造成线路短路情况。

图1　系统原理图

2　系统主要元件选型

2.1PLC类型的选择

目前我们经常使用的是SMATICS7-200系列PLC以及S7-300系列PLC，能够在各种环境中进行检测以及自动化控制，并发挥很好的效果。它们的优势是可靠性强、很好的抗干扰能力、操作灵活很容易掌握、内置集成比较丰富、通讯能力非常好等特点。

正是因为这些优点我们选择西门子的S7-200系列PLC作为电气控制系统的主机，在这个系列中又包含CPU221、CPU222、CPU224、CPU226以及CPU226XM等，由于监控系统中需要大量数据的输入和输出以及数据模拟分析，因此最后确定选用西门子CPU226和扩展模块EM231，这样可以达到系统的控制要求。

2.2SF6气体传感器的选择

SF6气体传感器主要是电化学气体传感器，它能够在正常使用下使精度达到很高，小于等于1×10-8。如果水电站处于非常复杂的环境中，这种传感器就满足不了使用，稳定性也非常差，因此，这时可以选择德国Smart GAS制造的红外SF6传感器，这种传感器是通过红外吸收光谱进行的测量，它比电化学传感器更具有优势，它的双波会比较长、可靠性非常高、与其他气体不会发生化学反应、使用期限在十年左右、结构更加简单、功耗比较低、数据以及模拟数据输出非常快。

2.3温湿度传感器的选择

高压配电装置在复杂环境中会受到空气的温度和湿度的影响，对系统的正常运行带来影响，因此，在监测系统中使用了瑞士的一家科技公司生产的温湿度传感器，类型有SHT10、SHT11 SHT15，其中我们使用的是SHT15芯片的温湿度传感器。这种芯片的传感器主要优势是：芯片可以全程进行标定、可以同时进行两线数据输出、测量湿度的范围在0～100%RH之间且精度为±2.05%RH、湿度的测量范围在-40～124.5℃之间且精度为±0.35℃。

3　电气控制系统的设计

3.1硬件电路设计

依据监控系统的功能以及实际情况进行分析，我们采用西门子的CPU226为核心的SF6气体监控系统，模拟量的输入需要多路，因此模拟量的扩展模块使用EM231，同时需要连接两个高压配电室的传感器。

3.2I/O地址分配

依据监控系统的功能要求和控制要求，可以对PLC控制的输入和输出地址进行确定，如表1所示。

表1　PLC的输入和输出分配表

4　软件设计

PLC在执行程序过程中通过对逐行进行扫描，系统按照规定的顺序进行工作。程序初始化的顺序为：主程序开始-模拟量A/D进行初始化程序-对数据进行采集和处理-气体浓度超标报警信息-人体语音报警信息。

5　设备调试遇到的问题以及解决方法

设备在启动程序完成以后需要进行调试，系统在发电以后可以看到SF6气体传感器的数据显示波动情况非常大，温湿度传感器的数据显示波动情况也非常大，这与在进行调试之前使用的AT89S51单片机测量的相关数据差别非常大，采用示波器对现场信息进行检测所显示的频率以及振幅等其他参数数值也非常不稳定，因此，PLC在运行时会受到现场很多信号的影响使得模拟信息不能稳定而且准确。

如果对模拟信息进行滤波以后，信号的输入以及监控到的数据机会稳定很多，数据信息比较接近实际现场环境，因此，在这种复杂的工作环境中，使用PLC为监测控制系统的核心就要对它的模拟量做好滤波处理。

6　PLC模拟量滤波方法以及程序设计

6.1模拟量滤波方法

不同的运行环境系统受到信号干扰的程度也会不一样，因此，对模拟量需要采用不同的滤波方法进行操作。一般常用的滤波方法有：

（1）中值滤波法。这种方法主要是针对因为偶然因素形成的波动造成的干扰或者是因为采样器不稳定造成的干扰，对那些变化比较快的参数不采用这种方法。

（2）算数平均值法。这种方法主要是对压力或者流量等周期性波动进行采集数值，然后做平滑加工，但是加工的效果一般不是很理想。

（3）程序判断法。对程序的运行做出滤波判断，是属于限幅滤波还是限速滤波。

（4）加权平均值滤波法。这种方法主要是根据各个参数值的比例设置不一样，采样次数越多，获得的比例也就越大，因此，可以添加新的采样数据通过平均值的方法得到比例。

（5）低通滤波法。这种方法主要是对一些高频信息进行过滤，设定通过的是低频信号，削弱高频信号，依据程序来设定具体的参数。

6.2PLC模拟量程序设计

水电站的运行环境比较复杂，而且干扰因素比较多，比如运行环境空气的温度、湿度以及电磁场等，这些对系统设备的调试工作带来很大困难。困难的表现除了以上因素还有因为监控系统中信息输出会受到很多干扰因素，比如噪声干扰，这种干扰是随机性的有时是周期性的。为了确保检测的准确，提高系统功能，对数据进行处理和调节之前需要先控制被检测信息的噪音。干扰信号常见的有50Hz的干扰信号，对它进行处理可以用积分时间为20ms的双积分A/D转换器，可以很好的控制模拟量在输入时受到的影响。

这种监测系统一种需要使用硬件来处理干扰信号，另一种需要使用软件来处理干扰信号。系统在运行的过程中采用数字滤波方法来消除或者减弱噪音干扰。虽然在相对比较稳定的状态，还是会受到现场信号的干扰，尤其是在是施工现场发出很多的尖峰脉冲干扰信号，这种干扰信号与一般情况下的干扰信号有很大不同，如果采用算数平均值的方法只能计算平均结果，对尖峰脉冲形成的输入值则不能计算，因此，这种情况下需要采用低通滤波方法对模拟量进行滤波。

7　总结

通过采用硬件以及软件进行系统的联机调试，基于PLC控制的SF6气体监控系统的运行会更加可靠和稳定，也可以精确的测量高压配电室的SF6气体的浓度，采用红外线语音报警系统大大提高了系统的安全性，对工作人员的人身安全有了一定保障，在使用中发挥很好的实用性。

［1］王宇.SF6气体在电力设备系统中的应用现状以及问题分析［J］.绝缘材料，2011（29）.

［2］张志辉.一种基于PLC控制的五个自由度气动配料机械手［J］.科技大学出版社，2011（02）.

［3］孙正声.智能仪器与数据采集系统中的新器件与应用［J］.技术创新与实践，2012（16）.

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