CN105511515B - 一种电气端子箱的智能除湿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电气端子箱的智能除湿系统，包括安装于电气端子箱内的硬件设备箱以及与硬件设备箱通信的远端上位机；硬件设备箱包括箱体以及设置于箱体内的开关电源、单片机、温湿度传感器、凝水除湿机构和通信模块。本发明利用半导体制冷片工作时的特点，在冷凝片上形成极冷表面冷凝除湿，在散热片上形成高温表面重新加热之前经过冷凝的空气，使得电气端子箱内的气温不会波动过大，便于空气在冷凝片上循环冷凝；冷凝片和散热片的安装位置使得进气口附近气温低，出气口附近气温高，而进气口比出气口的相对位置要高，这种设计有助于空气对流；再加上风扇的作用，能强制形成空气循环，从根本上解决了端子箱、开关柜等电气柜内常见的凝露问题。
Description
技术领域
本发明属于电气设备除湿技术领域，具体涉及一种电气端子箱的智能除湿系统。
背景技术
随着现在城市建设的快速发展，电气设备被大量使用，用于安装、保护这些电气设备的电柜就得到了广泛使用。为了防止电气设备在运行过程发生故障，电柜内都会安装除湿装置来控制其湿度。
目前，电气设备箱柜内除湿常采用在箱柜内电加热配自然通风，或采用强制通风的一种体积较大的常规电子除湿器。现场实际箱柜内部设电气备除湿效果并不好，电加热实际是增加空气流动，一定程度降低凝露，根本无法除湿；常规电子除湿器风道设计不合理，不能使箱柜内空气形成全部循环，只能在箱柜内局部除湿。打开箱柜门后发现在受到电气设备隔挡或离常规电子除湿器安装位置较远的位置，在箱柜门或电气设备上有凝露水，说明这种除湿方法不能满足箱柜内电气设备安全运行的基本要求。室内外各类电气设备箱柜的除湿采用箱柜内加装电加热配自然通风或强制通风的方法，时有发生电加热器周围的二、三、四次导引线过早老化或烧熔，又因箱柜内外空气互通，频繁加热除湿不仅除湿效果差，而且耗电量高。
另外有一种排水型除湿法，但还未广泛被应用推广，该除湿法是通过液化装置制造一个冷凝面，使空气中的水汽在冷凝面上变成液态水，然后通过特定的结构排出箱外，因而排水除湿法还是无法解决柜内已经形成的凝露问题。
电力系统多种电气柜需要安放在室外，电气柜由于加工工艺水平和使用的特点，难以做到完全密闭，导致大气的湿热空气积累到电气柜内，当气温骤降是，电气柜内就会产生凝露，引起短路、锈蚀等问题；因此包括端子箱在内的电气柜有效除湿一直是变电运行领域的一项重要工作，如何解决电柜内的凝露问题，并预防再次凝露，是本领域亟待要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种电气端子箱的智能除湿系统，能从根本上解决端子箱、开关柜等电气柜内常见的凝露问题。
一种电气端子箱的智能除湿系统，包括安装于电气端子箱内的硬件设备箱以及与硬件设备箱通信的远端上位机；所述的硬件设备箱包括箱体以及设置于箱体内的开关电源、单片机、温湿度传感器、凝水除湿机构和通信模块；其中：
所述的箱体顶部开有进气口，正面开有出气口；
所述的开关电源用于为硬件设备箱内的用电设备提供电源电压；
所述的温湿度传感器用于检测电气端子箱内的温度和湿度，并通过电压信号的形式将温度和湿度信息输送给单片机；
所述的单片机用于根据温湿度传感器提供的关于湿度信息的电压信号，控制凝水除湿机构的工作状态，并将电气端子箱内的温度和湿度信息以及硬件设备箱的工作状态信息通过通信模块发送给远端上位机，同时通过通信模块接收远端上位机的操作指令。
优选地，所述的凝水除湿机构包括半导体制冷片、散热片、冷凝片、风扇和排水管；所述的散热片贴合在半导体制冷片的放热面上，所述的冷凝片贴合在半导体制冷片的吸热面上，冷凝片位于进气口的下方，散热片位于出气口的后方，所述的排水管一端呈漏斗状设置于冷凝片的正下方，另一端穿过箱体并从电气端子箱引出，所述的风扇设置于散热片与出气口之间。
优选地，所述半导体制冷片的正电压端子通过一保护电阻与开关电源的正极相连，负电压端子通过一MOS管与开关电源的负极相连，所述的MOS管受控于单片机。
所述的风扇由开关电源经过一继电器常开触点提供供电回路，所述的继电器受控于单片机。
优选地，所述的箱体正面安装有按键显示模块，所述的按键显示模块与单片机连接，用于显示电气端子箱内的温度和湿度信息并接收用户关于控制参数的按键设置。
优选地，所述的通信模块采用串口有线通信和无线通信，无线通信采用ZigBee模块与GPRS模块结合实现。
所述的远端上位机用于实时监控电气端子箱内的温度和湿度，远程设置硬件设备箱的控制参数，记录和存储电气端子箱的历史数据以及就相关参数指标为值班人员提供故障报警。
优选地，当电气端子箱内的相对湿度Ф超过阈值情况下，所述的单片机首先通过公式△T＝-17.143Ф+17.714计算出冷凝片表面的降温幅度△T，然后根据公式△T＝-5.56*10-3P2+0.892P计算出半导体制冷片的电功率P，最后根据该电功率P通过PWM调制计算出MOS管开关信号的占空比θ并用以驱动MOS管。采用该技术方案，和使得MOS管一直开通的情况相比，能耗在理论上缩减到40％。
优选地，所述的单片机接收温湿度传感器提供的关于湿度信息的电压信号U，并对该电压信号进行滤波处理后，根据滤波处理后的电压信号U*控制凝水除湿机构的工作状态；具体滤波处理的过程如下：
首先，取电压信号U的当前电压值Ui及其前四个电压值Ui-1、Ui-2、Ui-3、Ui-4；对于上述五个电压值，剔除其中的最大值和最小值，使剩余三个电压值的平均值作为滤波处理后电压信号U*的当前电压值，依此遍历得到滤波处理后的电压信号U*；最后，根据电压信号U*通过公式U*＝2.5Ф+1.142计算出电气端子箱内的相对湿度Ф。采用该技术方案，可以过滤掉偶然的某次错误测量。
每台电气端子箱内的硬件设备箱均为终端，以其中一台电气端子箱内的硬件设备箱作为主机，其余硬件设备箱均为从机；所述的主机收集所有从机以及自身的信息上报给远端上位机，对于远端上位机下达的控制指令，由主机统一接收，再分发给各从机。
本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明利用半导体制冷片工作时的特点，在冷凝片上形成极冷表面冷凝除湿，在散热片上形成高温表面重新加热之前经过冷凝的空气，使得电气端子箱内的气温不会波动过大，便于空气在冷凝片上循环冷凝；冷凝片和散热片的安装位置使得进气口附近气温低，出气口附近气温高，而进气口比出气口的相对位置要高，这种设计有助于空气对流；再加上风扇的作用，能强制形成空气循环，空气被吸入进气口后其中的水分将被冷凝片冷凝抽离并排到电气端子箱外部，使箱体内空气绝对含水量降低，达到真正除湿的目的，从根本上解决了端子箱、开关柜等电气柜内常见的凝露问题。
(2)本发明半导体制冷片由单片机产生的PWM波触发MOS管来控制供电，根据检测到空气湿度的不同，给定不同占空比的PWM波，可以调节半导体制冷片的功率，可以有效节能。
(3)本发明能将现场监控结果传至远端PC，可以大大减少人工定期巡检端子箱环境条件的工作量。
(4)本发明可以接收来自远端PC设置(控制)指令，远程改变运行条件。
(5)本发明现场各电气端子箱内的硬件设备箱通过ZigBee模块构建局域网，由预先设定的某个电气端子箱(主机)汇总各电气端子箱(从机)的状态数据，然后主机由串口或GPRS模块与远端PC通讯，上报所有硬件设备箱的监控数据；对于远端PC下发的指令，也由主机统一接收，再分配给各从机。
(6)本发明当单片机检测到系统异常时，会使得显示及按键部分的LED灯闪烁，并向远端PC上报这一信息，监控软件会在屏幕上报警，提醒值班人员；如果屏幕上报警一段时间内无人处理，会给值班人员的手机发送短信报警。
(7)本发明远端PC上的监控软件可以记录和查阅历史数据，便于以后分析更加有效的除湿机工作策略和整定参数。
附图说明
图1为本发明除湿系统的结构示意图，其所示了单台硬件设备箱与远端PC通信的情况。
图2为本发明系统中多台硬件设备箱组建局域网并与远端PC通信的示意图。
图3为本发明硬件设备箱的进气口、出气口和显示及按键部分的排布示意图。
图4为本发明硬件设备箱内部凝水除湿部分的结构示意图。
图5为本发明硬件设备箱内部半导体制冷片的供电控制示意图。
图6为本发明硬件设备箱内部温湿度传感器的输出曲线示意图。
图7为原始湿度电压数据与经滤波之后电压数据的对比示意图。
图8为错误测量情况下原始湿度电压数据与经滤波之后电压数据的对比示意图。
图9为室温下测试得到的冷凝片表面降温与半导体制冷片消耗电功率的关系曲线示意图。
图10为相对湿度与温度的关系曲线示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明电气端子箱智能除湿系统由远端PC及其监控软件9以及安装在本地电气端子箱20的硬件设备箱8构成。如图3所示，硬件设备箱8放置在电气端子箱20内，外观是长方形箱体。硬件设备箱8具有进气口15和出气口16，该设备箱包含开关电源1、温湿度传感器3、凝水除湿部分5、显示及按键部分6、通信部分7，统一通过单片机2进行控制。
单片机2中编写了检测湿度、除湿、系统工作状态自检、向远端PC报告当前状态、接收来自远端PC指令相关功能的代码。
温湿度传感器3由开关电源部分1供电，温湿度传感器3的输出端口与单片机2的输入端口相连，单片机2中根据温湿度传感器3的特点，编写了针对测量结果滤波和校准补偿的算法，以实现对空气湿度的准确测量。自制的温湿度传感器3采用湿敏电容HS1101作为核心元件，具有测量范围广、测量精度高、输出线性度好的特点。根据测试，温湿度传感器3的输出电压U(V)和环境的相对湿度Ф存在如下拟合关系：U＝2.5Ф+1.142，如图6所示。
由于一些极端情况可能使测量结果产生突变，所以单片机2对于测量到的实际输出电压U会进行滤波处理。具体做法是单片机2的寄存器中会记录直到本次测量前4次的实际输出电压Un-4、Un-3、Un-2、Un-1，再加上本次的实际输出电压Un一共五个数据，去掉一个最大值和一个最小值，剩下三个数据的平均值作为本次测量结果Un *，将这个值代入图6的拟合关系式，即可得出当前的相对湿度。这次测量完成后，寄存器中的数据更新为Un-3、Un-2、Un-1、Un，等待下一次测量之后进行数据处理。对于所用滤波方法的启动过程，即开机后最初的四次测量，就以实际输出电压U作为测量结果U*。
虽然引入滤波之后，系统的测量响应会滞后于环境湿度变化几个测量周期，如图7所示。但只要测量频率设置的较高，这个滞后时间不会产生很大的影响。该滤波方法的优势是可以过滤掉偶然的某次错误测量。如图8所示，在第10次测量时，由于某种原因导致单片机2读到的实际输出电压为2V(本应该是1V)，但经过滤波后，得到第10次的测量结果U10 *＝1V仍然是正确的。
如图4所示，凝水除湿部分5包含半导体制冷片19、冷凝片24、散热片4、风扇17和排水管18。其中，散热片4、半导体制冷片19和冷凝片24贴合在一起，散热片4贴着半导体制冷片19的放热面，冷凝片24贴着半导体制冷片19的吸热面。散热片4和冷凝片24可以扩大半导体制冷片19与空气的接触面积，便于空气的冷凝和再加热。由于冷凝片24和散热片4都在电气端子箱20中，除湿过程中电气端子箱20内部空气的温度不会发生较大变化，有利于水蒸气持续在冷凝片24上冷凝，达到除湿效果。
冷凝片24位于进气口15下方，散热片4位于出气口16后方，这使得进气口15附近气温低，出气口16附近气温高。而进气口15的相对位置高于出气口16，根据空气温度越高密度越小的特点，这种位置分布有助于形成空气对流。
风扇17位于散热片4和出气口16之间，由开关电源1的输出端经过除湿继电器11的常开触点形成供电回路，除湿继电器11由单片机2控制。在除湿功能启动后，单片机2控制除湿继电器11吸合，风扇17开始通电工作，将空气吹向出气口16，进一步加强空气循环。
排水管18顶端呈漏斗形，放置在冷凝片24正下方，管道从电气端子箱20外壳穿出，末端固定在电气端子箱20外。这样能够将从冷凝片24滴下的冷凝水排出电气端子箱20。
如图5所示，半导体制冷片19，由开关电源1的输出端经过MOS管25和保护电阻26形成供电回路；MOS管25通过单片机2输出的PWM波控制通断。PWM波的占空比根据检测到的空气湿度决定：当湿度较大时，冷凝片只需要适当降温即可使水蒸气冷凝，这时采用低占空比的PWM波；当湿度较小但仍高于阈值时，需要较低的温度才能冷凝，这时采用高占空比的PWM波。通过调节PWM波占空比调节半导体制冷片19的功率，达到节能效果。
对于本实施方式中采用的半导体制冷片19、冷凝片24和散热片4，在室温23℃下进行测试。得到冷凝片24表面降温△T(℃)与半导体制冷片19所消耗的电功率P(W)之间的拟合曲线为△T＝-5.56*10-3P2+0.892P，如图9所示。
而设定的相对湿度阈值是45％，根据相对湿度和温度的曲线，如图10所示，只要降温10°左右，即可使空气达到饱和状态，水蒸气冷凝析出。而相对湿度越高就越容易冷凝，需要的降温幅度就越小，如当相对湿度达到80％时，只需降温约4°就能产生冷凝。再结合该曲线的特点，在相对湿度45％以上的部分，曲线的曲率大致相同，可以线性拟合，因此可以建立一种达到冷凝的降温幅度△T与相对湿度Ф之间的关系，取(45％,10°)和(80％,4°)两个点，得△T＝-17.143Ф+17.714。
采用PWM波的频率为1kHz，通过占空比θ调节半导体制冷片的功率。半导体制冷片19内阻约3Ω，保护电阻26阻值取2Ω，开关电源1输出直流电压为12V，经过PWM调制以后，半导体制冷片的等效电功率P＝17.28θW。
当系统检测到空气的相对湿度Ф超过阈值后，单片机2会根据公式△T＝-17.143Ф+17.714计算冷凝片24需要的降温幅度△T，再根据图9曲线计算出半导体制冷片19需要的电功率P，最终决定输出的PWM波占空比θ。
通常情况下，冷凝片24只需要降温6°左右即可达到冷凝条件，此时半导体制冷片19功率为7W左右，PWM波占空比约为40％，这和使得MOS管25一直开通的情况相比，能耗在理论上缩减到40％。
如图3所示，显示及按键部分6，安装在硬件设备箱8外壳正面上，采用数码管21、LED灯22和按键23相结合。操作人员在进行现场作业时，可以通过数码管21了解电气端子箱20内的温湿度状态，并且可以使用按键23对控制参数进行配置，LED灯22用来指示当前配置的是哪一参数，并且还有系统异常时闪烁警示的功能。
通信部分7采用串口有线通信和无线通信；无线通信采用ZigBee模块和GPRS模块相结合；通讯协议采用最优化的帧结构与冗余校验。如果只监控单个电气端子箱20状态，既可以使用串口有线通信通道12与远端PC相连，也可使用GPRS无线通信通道13，如图1所示。当现场有多个电气端子箱20需要监控时，可以用ZigBee无线通信通道14在各硬件设备箱8间构建局域网，然后设定一台硬件设备箱8作为主机，其他硬件设备箱8作为从机，如图2所示。主机相当于局域网与外网之间的网关，各从机将自己的状态数据通过ZigBee无线通信通道14传输给主机，由主机通过串口有线通信通道12或者GPRS无线通信通道13与远端PC通信，上报所有电气端子箱20的监控数据；对于远端PC下发的指令，也由主机统一接收，再分配给各从机。
安装在远端PC上的监控软件9中编写了实时监控端子箱温湿度、远程设置本地端子箱设备的控制参数、记录和查询历史数据以及向值班人员故障报警的相关功能。
本实施方式电气端子箱智能除湿系统的使用方法如下：
在电气端子箱20中固定好硬件设备箱8，使排水管18从电气端子箱20外壳穿出，末端固定在电气端子箱20外。硬件设备箱8通过串口转以太网模块和网线有线连接至远端PC；或者通过GPRS模块无线连接至远端PC。在远端PC安装好监控软件9后，启动软件，并给本地电气端子箱20内的硬件设备箱8通电，本除湿系统即可正常使用了。如果有多台硬件设备箱8，还要用ZigBee模块搭建无线局域网并设置主机和从机。
本实施方式系统正常工作时，每隔一段时间便会通过温湿度传感器3测量电气端子箱20内的空气湿度，并上传给监控软件9，这个时间间隔是可以自行设置的。当监控软件9接收到传上来的数据后，可以在屏幕上显示当前电气端子箱20的状态。
当单片机2检测到湿度超过阈值时，启动除湿功能，单片机控制除湿继电器11常开触点吸合，并且产生PWM波触发MOS管25，给风扇17和半导体制冷片19供电。空气从进气口15进入设备后，空气中的水蒸气在冷凝片24上冷凝成水滴，逐渐滴入排水管18，最终排出到电气端子箱20外，箱内的湿度得到明显的降低。在除湿过程中，远端PC的监控软件9上也会提示当前正在进行除湿。除湿完成后，单片机2控制除湿继电器11跳开，并且也不再给MOS管25触发信号，风扇17和半导体制冷片19都断电而停止工作。硬件设备箱8又恢复到检测状态，等待下一次湿度超标再重新启动除湿。
当单片机2检测到系统异常时，会使得显示及按键部分6中的LED灯22闪烁，并向远端PC上报这一信息，监控软件9会在屏幕上报警，提醒值班人员；如果屏幕上报警一段时间内无人处理，会给值班人员的手机发送短信报警。
另外，监控软件9会在远端PC上保存历史数据，工作人员可以根据自己的需要查询相应时间段的数据，进行分析和处理。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电气端子箱的智能除湿系统，包括安装于电气端子箱内的硬件设备箱以及与硬件设备箱通信的远端上位机；其特征在于：所述的硬件设备箱包括箱体以及设置于箱体内的开关电源、单片机、温湿度传感器、凝水除湿机构和通信模块；其中：
所述的箱体顶部开有进气口，正面开有出气口；
所述的开关电源用于为硬件设备箱内的用电设备提供电源电压；
所述的温湿度传感器用于检测电气端子箱内的温度和湿度，并通过电压信号的形式将温度和湿度信息输送给单片机；
所述的单片机用于根据温湿度传感器提供的关于湿度信息的电压信号，控制凝水除湿机构的工作状态，并将电气端子箱内的温度和湿度信息以及硬件设备箱的工作状态信息通过通信模块发送给远端上位机，同时通过通信模块接收远端上位机的操作指令；
所述的凝水除湿机构包括半导体制冷片、散热片、冷凝片、风扇和排水管；所述的散热片贴合在半导体制冷片的放热面上，所述的冷凝片贴合在半导体制冷片的吸热面上，冷凝片位于进气口的下方，散热片位于出气口的后方，所述的排水管一端呈漏斗状设置于冷凝片的正下方，另一端穿过箱体并从电气端子箱引出，所述的风扇设置于散热片与出气口之间；所述半导体制冷片的正电压端子通过一保护电阻与开关电源的正极相连，负电压端子通过一MOS管与开关电源的负极相连，所述的MOS管受控于单片机；
所述的箱体正面安装有按键显示模块，所述的按键显示模块与单片机连接，用于显示电气端子箱内的温度和湿度信息并接收用户关于控制参数的按键设置；所述的通信模块采用串口有线通信和无线通信，无线通信采用ZigBee模块与GPRS模块结合实现；
当电气端子箱内的相对湿度Ф超过阈值情况下，所述的单片机首先通过公式△T＝-17.143Ф+17.714计算出冷凝片表面的降温幅度△T，然后根据公式△T＝-5.56*10-3P2+0.892P计算出半导体制冷片的电功率P，最后根据该电功率P通过PWM调制计算出MOS管开关信号的占空比θ并用以驱动MOS管；
所述的单片机接收温湿度传感器提供的关于湿度信息的电压信号U，并对该电压信号进行滤波处理后，根据滤波处理后的电压信号U*控制凝水除湿机构的工作状态；具体滤波处理的过程如下：
首先，取电压信号U的当前电压值Ui及其前四个电压值Ui-1、Ui-2、Ui-3、Ui-4；对于上述五个电压值，剔除其中的最大值和最小值，使剩余三个电压值的平均值作为滤波处理后电压信号U*的当前电压值，依此遍历得到滤波处理后的电压信号U*；最后，根据电压信号U*通过公式U*＝2.5Ф+1.142计算出电气端子箱内的相对湿度Ф；
每台电气端子箱内的硬件设备箱均为终端，以其中一台电气端子箱内的硬件设备箱作为主机，其余硬件设备箱均为从机；所述的主机收集所有从机以及自身的信息上报给远端上位机，对于远端上位机下达的控制指令，由主机统一接收，再分发给各从机。
2.根据权利要求1所述的智能除湿系统，其特征在于：所述的风扇由开关电源经过一继电器常开触点提供供电回路，所述的继电器受控于单片机。
3.根据权利要求1所述的智能除湿系统，其特征在于：所述的远端上位机用于实时监控电气端子箱内的温度和湿度，远程设置硬件设备箱的控制参数，记录和存储电气端子箱的历史数据以及就相关参数指标为值班人员提供故障报警。
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