基于物联网的无线温度系统在钢铁行业的应用

基于物联网的无线温度系统在钢铁行业的应用

钱琪明

（安科瑞电气股份有限公司 201801）

摘要：采集关键电力设备接点的实时温度，克服有线温度监测系统存在的诸如线路多，布线复杂，维护困难，高压隔离等方面的不足，将测温传感器与无线通信技术相结合，将物联网技术及移动互联网云端与电力自动化技术相结合，云边协同，实现智能化无线测温系统方案。无线测温系统具有结构简单可靠，扩展性好，布点灵活等特点,可以结合行业深层需求及其他技术，进一步在电厂推广应用。

关键词：无线测温 无源无线传感器 电气接点测温 测温系统

1 钢铁工业电气装置需求分析

钢铁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,而且对钢铁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。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,结合钢铁工业的特点及需求,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、Sub-1G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电磁感应供电无线测温、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,尘土振动对其影响较大;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;电磁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。表1详细比较了各种无线测温方法的性能。

表 1 无线测温技术性能比较

红外测温

有源无线测温

无源无线测温

供电方式

有线供电

电池供电

电磁取能

传输方式

有线传输

无线传输

无线传输

测温方式

非接触式

接触式

接触式

测温精度

±2.0℃

±1.0℃

±1.0℃

响应速度

稍慢

尺寸大小

稍大

较小

安装方式

固定柜壁

固定发热点

固定发热点

适用

柜内裸露部位测温

母排、静触头等

母排、静触头等

影响因素

镜头需要调焦和对准发热点, 物距比直接响精度,套管、柜壁 等阻挡其测量,振动、尘土影响其测量

受电池寿命和高温特性制约,体积稍大,关键部位不能安装,测量间隔长

母线电流大于5 A 时才能工作

安装维护

需要对准发热部位,需在开关柜上钻孔,需要在布线连接,定 期除尘、对准

无需布线和破坏结构, 需要更换电池/传感器

无需布线和破坏结构, 基本免维

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:Sub-1G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)。

蓝牙技术(Bluetooth)属于一种超短距离的无线传输技术,传输距离10m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。Sub-1G技术的主要特征包括:传输速率较低;通信距离较长;设备功耗极低,发射输出仅为10dBm;通信组网简洁。这些主要特征使Sub-1G 通信技术传输数据稳定可靠。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

名称

传输速率

通信距离

频段

安全性

功耗

应用场景

Bluetooth

1 Mb / s

10 m

2. 4GHz

20mA

通信、汽车、IT

WiFi

11~54 Mb/s

20~200 m

2. 4GHz

10~50mA

PC、PDA

Sub-1G

100 kb / s

20~1000m

315~920Mhz

5~10mA

无线传感器

UWB

53~480Mb/s

0.2~40m

3.1~10.6GHz

10~50mA

消防、救援

NFC

424 kb/s

20 m

13. 6 GHz

极高

10mA

手机

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,布线困难的区域,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

项目针对鞍山钢铁6KV部分的总站和窑头站的57面开关柜进行进行智能测温改造，经过技术对比,使用无线无源温度传感器+温度监测系统,准确的采集关键部位的温度信号 ,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。并且测温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。

3.1 无线无源测温:温度传感器+Sub-1G

经过技术对比,选定 ATE400无源无线温度传感器应用于开关柜关键部位测温。其主要性能参数如表3所示.

表3 ATE400温度传感器参数表

电源

电磁感应自取电

启动电流

5A

采集/发射周期

15S

测温范围

-50~+125℃

测温精度

±1℃

通信频段

470Mhz

通信距离

150m空旷

尺寸

25.8mm*20.4mm*12.8mm

ATE400无源无线温度传感器基于一次电流进行感应取电,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,ATE400非常小巧不占用空间,便于安装调试及后期维护。 ATE400无线通信采用Sub-1G通信技术确保有可靠和强大的通信能力。ATE400的图片及在项目应用中的场景如图1所示。

图1 ATE400传感器外观及现场高压柜触头/电缆头应用

3.2 无线测温系统网络架构

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。现场的各ATE400温度传感器通过无线传输到温度接收装置，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。网关将协议转换为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。测温系统云服务器也接入通信网络,将各ATE400的测温数据上传到云平台,以供智能手机的APP使用。系统网络架构如图2所示。

图2 测温系统网络架构图

3.3无线测温系统

无线测温系统是物联网IOT技术的应用体现之一，图3为系统部分功能截图。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,通过测温系统应用,会将变配电站内安装ATE400温度传感器的开柜温度数据进行处理,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,测温系统可以提供报警管理,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。 除了智能手机端显示温度及提供报警之外,测温系统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3 无线测温系统温度显示、报表及曲线等界面

4 结语

无线测温系统在鞍山钢铁的智能化测温改造及应用,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。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。

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