CN101464671B - 一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置和方法，本发明由主机及与之相连的多个变送器组成，主机主要包括机箱、触摸屏显示器、主板CPU，日历时钟装置、语音装置、非易失性存储器、主机电源及分别与风机和报警器相连的驱动装置；主机与能实现远程控制的上位机相连；变送器主要包括有机箱、采集传感器、数据主板CPU、高压模块。本发明设计了双路双检测比对六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路，对主六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路的监测数据有疑问时，自动启动比对的六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路进行比对，大大提高了可靠性。可配接多种变送器，具有多个区域的独立监控能力，并可对多个对象如换气风机、降温风机等实现联动控制；且具有数据记录功能，对各种报警和控制对象的动作进行记录保存，记录停电不丢失；可通过配接相应的通讯软件可和变电站监控软件对接，实现系统的遥信、遥测、遥测功能；同时本发明还具有结构轻巧，安装及使用维护方便等特点，是一种理想的新型六氟化硫气体及其衍生气体含量监测监控的装置。
Description
一、技术领域
本发明属于工业上六氟化硫气体监测领域，尤其涉及到一种应用双路双检测高压模块恒压放电法对六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置。
二、技术背景
六氟化硫气体具有很好的灭弧和绝缘功能，因此，六氟化硫气体广泛地应用在电力设备中，如六氟化硫气体高压断路器，六氟化硫气体封闭组合电器，管道母线等.纯净的六氟化硫气体是一种无色，无味，无毒，难燃的卤素化合物，在低于150℃情况下，六氟化硫气体呈化学惰性，但在大功率电弧，火花和放电电晕作用下，六氟化硫气体能分解和游离出多种有毒和腐蚀性物质.因此，在使用六氟化硫气体电力设备中，六氟化硫气体的泄漏不仅对开关设备的性能有所影响，更主要的是有毒分解物对人体的危害和对环境的严重破坏.由于上述原因，对六氟化硫气体电力设备进行严格的监控和防护，以保障人力，设备，环境的安全就显得尤为重要。
在专利号为：ZL 200510037936.2，公开号：CN 1648653，名称为：测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法；该变送器具有超声波检测装置、单片机和环境参数采集电路。超声波检测装置具有波形发生器、放大隔离电路、采样装置、参照装置、隔离放大整形电路、比较及测量滤波器、分频器和晶振电路。环境参数采集电路具有温度采集电路。使用时，单片机根据相应的程序算式以超声波检测装置测得的超声测量信号和环境参数采集电路测得的温度信号为变量而算出六氟化硫气体浓度。本发明的变送器结构简单、使用安全，能在现场进行实时测量，可对低浓度六氟化硫气体进行实时测量且精度较高。但该方法只是单纯采用进口卤素气体探头进行单路监测六氟化硫气体，只能模糊测定六氟化硫气体浓度，易出现误差。
在专利号为：ZL 200520069082.1，公开号：CN 2773672，名称为：六氟化硫气体浓度的光学检测装置，该六氟化硫气体浓度的光学检测装置，具有光发射装置、光路装置、气路通道选择器、进气通道、出气通道和待测气体输入通道；光路装置的内部具有窄带滤光器、功率衰减器、分光器、透光器、进气口、出气口和参考光出口；光发射装置的光发射端发射出的光线所在直线与光路装置的轴心线在同一条直线上；气路通道选择器的待测气体输入通道输入端接待测气体输入通道，气路通道选择器的待测气体输入通道输出端经进气通道接进气口；出气口接出气通道与外界相连。采用红外光光学装置对六氟化硫气体浓度进行测量，具有测量范围宽、灵敏度高、精度高、响应速度快、有良好的选择性、能进行连续分析等独特优点。但该装置结构过于复杂，且通过该光学检测装置只能特定于对六氟化硫气体，而不能同时对六氟化硫气体其它有害的衍生气体同时检测。
二、本发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种应用双路双检测高压模块恒压放电法通过放电电流测量对六氟化硫气体及其衍生气体含量监测监控的装置。
本发明是通过如下方式实现的：本发明由主机及与之相连的多个变送器组成，主机主要包括机箱、触摸屏显示器、主板(CPU)，日历时钟装置、语音装置、非易失性存储器、主机电源及分别与风机和报警器相连的驱动装置；主机与能实现远程控制的上位机相连；变送器主要包括有机箱、采集传感器、数据主板CPU、高压模块。
当六氟化硫气体泄漏时，气体因比重大向下走，安装在地面上的变送器六氟化硫气体及其衍生气体传感器75通过采集六氟化硫气体引起通过放电电流变化，分析计算相应六氟化硫气体及其衍生气体浓度，并通过系统设置，使在设定范围进行报警及排风功能，实现对人身和设备安全的防护。变送器内分别安装高压恒压模块一和高压恒压模块二并由变送器主板CPU控制的运行，实时进行高压放电，当六氟化硫气体及其衍生气体接近变送采集器时引起电流的变化，变送器内传感采集器通过采集六氟化硫气体所引起的通过放电电流变化，经信号预处理A/D变换传送到主机，主机CPU对接收数据进行分析，剔除异常数据并启用另一路备用有六氟化硫气体监测电路，比对变送器取样采集检测，经主机分析计算修正后，分析计算得出相应精准六氟化硫气体及其衍生气体浓度，数据显示在液晶屏上，并通过系统设置，使数据在设定范围超限时进行报警及排风功能，实现对人身和设备安全的防护。
综上所述，本发明为提高六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测的稳定性和可靠性，本发明设计了双路双检测比对六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路，对主六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路的监测数据有疑问时，自动启动比对的六氟化硫气体及其衍生气体浓度监测电路进行比对，大大提高了可靠性。可配接多种变送器，具的多个区域的独立监控能力，并可对多个对象如换气风机、降温风机等实现联动控制；且具有数据记录功能，对名种报警和控制对象的动作进行记录保存，记录停电不丢失；可通过配接相应的通讯软件可和变电站监控软件对接，实现系统的遥信、遥测、遥测功能；同时本发明还具有结构轻巧，安装及使用维护方便等特点，是一种理想的新型六氟化硫气体及其衍生气体含量监测监控的装置。
四、附图说明
图1本发明的结构模块示意图；
图2本发明主机硬件系统结构模块示意图；
图3本发明主机CPU(LPC2292)引脚P0配置图表；
图4本发明主机CPU(LPC2292)引脚P1配置图表；
图5本发明主机CPU(LPC2292)引脚P2配置图表；
图6本发明主机CPU(LPC2292)引脚P3配置图表；
图7本发明变送器的硬件系统结构模块示意图；
图8本发明变送器CPU(LPC2119)引脚P0配置图表；
图9本发明变送器CPU(LPC2119)引脚P1配置图表；
图10本发明主机软件流程框图；
图11本发明变送器软件流程框图；
五、本发明具体实施例
现结合附图详述本发明具体实施方式：
如图1所示，本发明主要由系统主机11及通过CAN总线与之相连的多个变送器15组成，系统主机11与可实现遥控的上位机12和联动的风机13及报警装置14相连。
如图2所示，本发明系统主机11主要包括机箱、触摸屏显示器22、主板(CPU)21，日历时钟装置23、语音装置24、非易失性存储器25、主机电源26、LCD接口电路27及分别与风机13和报警装置14相连的第一驱动装置28、第二驱动装置29；A/M设置开关30和输出驱动电路31。
其中：
1、主板(CPU)21采用的CPU为LPC2292，是NXP公司生产的ARM7系列的嵌入式CPU，LPC2292采用12MHZ的晶振，经PLL电路5倍频生成60MHZ时钟信号供全系统使用。LPC2292的地址空间分为内置和外部二个部分，LPC2292的引脚分为P0、P1、P2、P3四个部分，其配置分别如图3、图4、图5、图6所示。
2、LPC2292的定时器设置：本发明使用了LPC2292的定时器0，工作模式为定时器，周期为20mS，中断方式。
3、LPC2292的串行接口设置和串行接口驱动电路，本发明使用了LPC2292的2个串口，波特率均为9600bps：
①.UART0配置有RS-232驱动电路SP3232，正常工作时与触摸屏连接，作为触摸屏的信号输入；ISP编程时与PC机连接，作为ISP编程接口；
②.UART1可选RS-232驱动或RS485驱动电路，作为与上位机的通信接口。
4、LPC2292的CAN接口和CAN驱动电路，本发明采用了LPC2292的2个CAN口，均设置有光电隔离电路：
①.CAN1用于变送器的通信，波特率为50Kbps，采用中断方式工作；
②.CAN2作为备用的通信接口，拟作为与上位机的通信接口。
5、LCD接口电路27
本发明采用智能型LCD显示器，主机使用并行接口对其进行控制。为提高传输速度，该并行接口的数据部分直接与系统的数据总线连接，并使用P0.27用于复位控制；P0.28用于关闭背光控制；P0.29作为忙信号输入；P0.30控制LCD显示器的输入选通信号。
6、非易失性存储器25
本发明采用带有后备电池的62WV5128静态存储器作为非易失性存储器，保存系统的历史记录数据，该存储器具有512K字节的容量，可以保存大量历史记录数据。为保证传输速度，该静态存储器的数据和地址接口均直接与系统总线连接。
7、日历时钟装置电路23
本发明采用ST公司的M41T0日历时钟电路，与静态存储器62WV5128共用后备电池，通过I2C接口与LPC2292连接。
8、语音装置电路24
本发明采用ISD1420为存储和放音电路，LM386为功率放大器，P0.4-P0.7控制语音段，P1.24控制放音的启动和停止。
9、A/M设置开关30和输出驱动电路31
本发明通过GPIO输入A/M设置开关的状态；输出则通过GPIO输出控制信号，经MC1413放大后控制继电器输出。
10、主机电源26
本发明采用12V直流供电，分2路供主机各部分工作：
①.采用MC34063组成的开关电源输出5V电压，供接口电路工作，再经过LDO稳压器输出3.3V和1.8V电压，供CPU接口电路和内核工作
②.12V直流电压供LCD显示器、语音放大电路和功率输出电路
如图七所示，本发明变送器15主要包括有机箱、采集传感器、数据主板CPULPC211971、高压模块72、调理电路模块73、A/D输入模块74；所述的采集传感器包括有：六氟化硫气体及其衍生气体传感器75、湿度传感器76、氧量传感器77、H2S传感器78、SO2传感器79及温度传感器80；温度传感器80直接与主板CPU71LPC2119相连，六氟化硫气体及其衍生气体传感器75、湿度传感器76、氧量传感器77、H2S传感器78、SO2传感器79均通过调理电路模块73经A/D输入模块74与主板CPULPC211971相连；高压模块72分为高压恒压模块一和高压恒压模块二，由主板CPULPC211971分别控制高压恒压模块一和高压恒压模块二的运行并与六氟化硫气体及其衍生气体传感器75相连。
其中数据主板CPU LPC211971采用的是LPC2119，是NXP公司生产的ARM7系列的嵌入式CPU，LPC2119采用12MHZ的晶振，经PLL电路5倍频生成60MHZ时钟信号供全系统使用。LPC2119的引脚分为P0、P1二个部分，分别如图八、图九所示。
1.LPC2119的定时器设置
本发明使用了LPC2119的定时器0，工作模式为定时器，周期为20mS，中断方式。
2.LPC2119的串行接口设置
本发明使用了LPC2119的UART0，用于ISP编程。为降低成本，该接口未配置RS-232驱动电路，与PC机连接时应另外配置RS-232驱动电路。
3.LPC2119的CAN接口和CAN驱动电路
本发明采用了LPC2119的CAN1，用于变送器的通信，波特率为50Kbps，采用中断方式工作；设置有光电隔离电路
4.A/D输入模块
本发明采用LPC2119的10位A/D模数转换器，由于LPC2119仅有4路A/D转换器，因此系统扩展了1片CD4501模拟开关电路。
5.六氟化硫气体检测电路
六氟化硫气体监测电路采用高压模块恒压放电法，通过放电电流测量六氟化硫气体的含量。为提高六氟化硫气体监测的稳定性和可靠性，采用了以下2个改进方法：
①.增加了备用的六氟化硫气体监测电路，对主六氟化硫气体监测电路的监测数据有怀疑时，自动启动备用的六氟化硫气体监测电路进行比对，提高了可靠性；
②.对六氟化硫气体监测电路的高压模块恒压放电进行能量限制，减少传感器的消耗。
GPIO的P0.7和P0.6分别控制高压模块一和高压模块二的运行。由于高压模块的电路结构，六氟化硫气体监测电路的输出电压与习惯性要求有所不同，采用软件运算的方法加以解决。
6.氧量、湿度、H2S和SO2检测电路
氧量、湿度、H2S和SO2传感器的输出均为模拟量信号，调理后通过A/D转换器输入。H2S和SO2传感器的输出为微电流信号，本设计采用了传感器制造商建议的调理电路。
7.温度检测电路
温度检测电路采用了DS18B20数字接口的温度传感器，由GPIO直接控制和读取检测值，精度较高但检测速度较慢。
8.电源电路
本发明采用24V直流供电，分2路供变送器各部分工作：
①.采用MC34063组成的开关电源输出5V电压，供接口电路工作，再经过LDO稳压器输出3.3V和1.8V电压，供CPU接口电路和内核工作
②.采用MC7812稳压输出12V电压，供六氟化硫气体高压电源使用。
本发明主机与变送器之间的传输协议
本发明系统主机-变送器传输是基于CAN2.0B协议的，为兼顾传输速度和距离，选用的波特率为50Kbps，传输距离可达1200米，传输采用主从方式。
本发明上位机与系统主机的通信协议
上位机与系统主机的通信采用标准RS-232或RS-485通讯标准，波特率为9600，采用11位有带奇校验的格式。传输协议采用主从方式，上位机作为主控端(以下简称PC)，系统主机作为被动端以下简称(RTU)，所有操作通过上位机发命令，系统主机作为等待响应。
PC到RTU及RTU到PC都采用统一格式，具体包格式如下：
起始码为：主要为增加容错功能，确定有效数据的起始‘$’一个字节十六进制即为24；
设备地址：所要控制或接收信息的设备地址，十六进制数，长度为一个字节，发送时作为设备选择，返回时作为设备代号；
长度：所要传送信息内容加上校验字节的总字节数，十六进制数，长度为二个字节，低字节在前，高字节在后；
内容：所要传送信息内容；
校验码：是$与设备地址长度内容所有字节的异或值，十六进制数，长度为一个字节。
本发明主机的软件采用了自行设计的实时多任务操作系统。软件增加了任务调度模块，设置了任务队列和定义了任务的优先级，程序运行时所产生的所有任务都必须提出申请，由任务调度模块分配资源。高优先级的任务可以用中断低优先级任务的方法抢先运行，同一优先级的任务进入任务队列后按先进先出的原则执行，运行超时的任务则由操作系统中止运行并回收资源。程序任务主要由定时器中断、触摸屏中断、串行口中断和CAN中断等4个中断产生，软件流程图如图10所示；
本发明变送器的软件采用了自行设计的实时多任务操作系统，使用方法和调度原则与主机软件一致。软件流程图如图11所示。
六氟化硫气体监测电路采用高压模块恒压放电法，变送器15内分别安装高压恒压模块一和高压恒压模块二并由变送器主板CPU LPC211971控制运行，实时进行高压放电，当六氟化硫气体及其衍生气体接近变送采集器时引起电流量的变化，变送器15六氟化硫气体及其衍生气体传感器75通过采集六氟化硫气体所引起的通过放电电流变化，经信号预处理A/D变换传送到系统主机11，通过放电电流测量六氟化硫气体的含量。为提高六氟化硫气体监测的稳定性和可靠性，增加了备用的六氟化硫气体监测电路，对主六氟化硫气体监测电路的监测数据有怀疑时，自动启动备用的六氟化硫气体监测电路进行比对，提高了可靠性。主备六氟化硫气体监测电路切换方法如下：
①.系统启动后，首先使用主六氟化硫气体监测电路；
②.当主六氟化硫气体监测电路输出小于1.25V时，尝试备用六氟化硫气体监测电路；
③.如备用六氟化硫气体监测电路输出大于1.25V，切换到备用六氟化硫气体监测电路；
④.使用备用监测电路16次后，尝试主六氟化硫气体监测电路，如恢复正常，则切换回主六氟化硫气体监测电路。
当六氟化硫气体泄漏时，气体因比重大向下走，安装在地面上的变送器内传感采集器通过采集六氟化硫气体引起通过放电电流变化，分析计算相应六氟化硫气体及其衍生气体浓度，并通过系统设置，使在设定范围进行报警及排风功能，实现对人身和设备安全的防护。本发明变送器15内分别安装高压恒压模块一和高压恒压模块二并由变送器主板CPU LPC211971控制的运行，实时进行高压放电，当六氟化硫气体及其衍生气体接近变送采集器时引起电流的变化，变送器15六氟化硫气体及其衍生气体传感器75通过采集六氟化硫气体所引起的通过放电电流变化，经信号预处理A/D变换传送到系统主机11，主机CPU21对接收数据进行分析，剔除异常数据并启用另一路备用有六氟化硫气体监测电路，比对变送器取样采集检测，经主机分析计算修正后，分析计算得出相应精准六氟化硫气体及其衍生气体浓度，数据显示在触摸屏显示器22上，并通过系统设置，使数据在设定范围超限时进行报警及排风功能，实现对人身和设备安全的防护。由于高压恒压模块的电路结构，六氟化硫气体监测电路的输出电压与习惯性要求有所不同，采用软件运算的方法加以解决。在测量之前，须先在实验室对高压模块恒压放电电流量与六氟化硫气体及其衍生气体浓度对应影响变化进行测量，通过测量得到相应的曲线表，利用计算机辅助分析计算，可得到相应数据情况，此数据情况作为主机CPU21测量对应当量，通过放电电流计算出六氟化硫气体及其衍生气体浓度数据.
Claims (3)
1.一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置，其特征在于：主要由系统主机(11)及与之相连的多个变送器(15)组成，系统主机(11)主要包括机箱、触摸屏显示器(22)、主板CPU(21)、日历时钟装置(23)、语音装置(24)、非易失性存储器(25)、主机电源(26)、LCD接口电路(27)、A/M设置开关(30)和输出驱动电路(31)及分别与风机(13)和报警装置(14)相连的第一驱动装置(28)、第二驱动装置(29)；系统主机(11)与能实现远程控制的上位机(12)相连；变送器(15)主要包括有机箱、采集传感器、数据主板CPU LPC2119(71)、高压模块(72)、调理电路模块(73)、A/D输入模块(74)；所述的采集传感器包括有：六氟化硫气体及其衍生气体传感器(75)、湿度传感器(76)、氧量传感器(77)、H2S传感器(78)、SO2传感器(79)及温度传感器(80)；温度传感器(80)直接与主板CPU LPC2119(71)相连，六氟化硫气体及其衍生气体传感器(75)、湿度传感器(76)、氧量传感器(77)、H2S传感器(78)、SO2传感器(79)均通过调理电路模块(73)经A/D输入模块(74)与主板CPU LPC2119(71)相连；高压模块(72)分为高压恒压模块一和高压恒压模块二，由主板CPU LPC2119(71)分别控制高压恒压模块一和高压恒压模块二的运行并与六氟化硫气体及其衍生气体传感器(75)相连；变送器(15)内分别安装高压恒压模块一和高压恒压模块二并由变送器主板CPU LPC2119(71)控制的运行，实时进行高压放电，当六氟化硫气体及其衍生气体接近变送器时引起电流的变化，变送器六氟化硫气体及其衍生气体传感器(75)通过采集六氟化硫气体所引起的通过放电电流变化，经信号预处理A/D变换传送到系统主机(11)，主机CPU(21)对接收数据进行分析，剔除异常数据并启用另一路备用的六氟化硫气体监测电路，比对变送器取样采集检测，经主机分析计算修正后，分析计算得出相应精准六氟化硫气体及其衍生气体浓度，数据显示在触摸屏显示器(22)上，并通过系统设置，使数据在设定范围超限时进行报警及排风功能。
2.根据权利要求1所述的一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置，其特征在于：系统主机与变送器传输是基于CAN2.0B协议，为兼顾传输速度和距离，选用的波特率为50Kbps，传输距离为1200米，传输采用主从方式。
3.根据权利要求2所述的一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置，其特征在于：上位机与系统主机的通信采用标准RS-232或RS-485通讯标准，波特率为9600，采用11位有带奇校验的格式；传输协议采用主从方式，上位机作为主控端，系统主机作为被动端，所有操作通过上位机发命令，系统主机作为等待响应。
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| CN2670944Y (zh) * | 2003-10-16 | 2005-01-12 | 韩纪源 | 一种用于变电站高压电器中检测六氟化硫气体的装置 |
| CN2685880Y (zh) * | 2004-03-31 | 2005-03-16 | 湖南远能电力发展有限公司 | 高压电气设备中六氟化硫气体在线监测装置 |
| CN2935174Y (zh) * | 2006-05-19 | 2007-08-15 | 福建师范大学 | 基于can总线网络的高压开关室内六氟化硫预警装置 |
| CN201149656Y (zh) * | 2007-12-20 | 2008-11-12 | 郑召兴 | 一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置 |
-
2007
- 2007-12-20 CN CN2007101440598A patent/CN101464671B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| CN201149656Y (zh) * | 2007-12-20 | 2008-11-12 | 郑召兴 | 一种六氟化硫气体及其衍生气体监测监控的装置 |
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