遲清 李鵬程

摘要：通過研究設(shè)計(jì)出了一種能夠直觀反映電纜頭連接情況的在線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分結(jié)構(gòu)形式簡單，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有極強(qiáng)的拓展性，性價(jià)比也比較高。通過軟件仿真設(shè)計(jì)后可以看出，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢等各個(gè)方面都是實(shí)現(xiàn)了良好的電纜火災(zāi)預(yù)警功能，控制界面的設(shè)計(jì)也更加簡單、直觀，為操作人員提供了極大的便利，通過仿真發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)具備的較強(qiáng)的穩(wěn)定性，預(yù)警功能也更加精準(zhǔn)，具有良好的市場推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輸配電纜火災(zāi);預(yù)警系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TM726

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）12-0086-04

火災(zāi)報(bào)警本身屬于集合了數(shù)學(xué)、物理、機(jī)電、計(jì)算機(jī)、模擬識(shí)別等多項(xiàng)技術(shù)的一種綜合性非常強(qiáng)的新技術(shù)門類?；馂?zāi)報(bào)警最大的作用就是要在火災(zāi)發(fā)生的第一時(shí)間及時(shí)獲取相關(guān)具體的信息，并以實(shí)際信息為準(zhǔn)進(jìn)行及時(shí)處理，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的報(bào)警目的。以火災(zāi)實(shí)際的發(fā)生情況來看，各個(gè)層次上的信息非常多，而且比較復(fù)雜，火災(zāi)預(yù)警最大的難點(diǎn)就是在眾多復(fù)雜的信息中如何進(jìn)行及時(shí)的處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)處理后各種信息的綜合性利用，這也是當(dāng)今火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域一個(gè)重點(diǎn)的研究課題之一。而當(dāng)在發(fā)生或火災(zāi)后，其不僅電纜表面溫度會(huì)直線上升，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量有害煙霧、氣體，如CO2、SO2、CO等氣體。因此，如何借助當(dāng)前的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電線路的監(jiān)控，成為當(dāng)前思考和研究的重點(diǎn)。

1 硬件系統(tǒng)部分

考慮到輸配電電纜線路在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，包括溫度等在內(nèi)的環(huán)境都會(huì)變化，也會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，如上述的CO、S02等氣體。因此對(duì)于輸配電光纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。具體硬件架構(gòu)如圖1所示。

首先在電纜接頭的各個(gè)部分設(shè)置溫度、電流、環(huán)境、煙霧等各種傳感器[1]，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信息的檢測，所有的采集數(shù)據(jù)最后通過數(shù)據(jù)采集模塊處理后將其傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。在數(shù)據(jù)采集模塊中會(huì)針對(duì)采集的各種信息完成放大或者是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，RS485總線則是數(shù)據(jù)采集與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)順暢通訊的主要設(shè)備。系統(tǒng)通訊、信息傳輸所需要的局域網(wǎng)主要是通過計(jì)算機(jī)以及上位機(jī)來組成，在局域網(wǎng)構(gòu)建起聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)后，管理人員就能夠及時(shí)這對(duì)現(xiàn)場狀況進(jìn)行查詢。

1.1 傳感器

傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中最基層的元件，該系統(tǒng)中主要應(yīng)用的傳感器有溫度和煙霧傳感器。以電纜實(shí)際的分布狀況為基準(zhǔn)，在需要進(jìn)行檢測的各個(gè)電纜頭以及電纜溝道位置處布置相應(yīng)得的傳感器。溫度傳感器的作用主要是針對(duì)電纜頭不同位置得的溫度信息進(jìn)行采集，而不同電纜溝道位置的煙霧信息則主要是通過煙霧傳感器來進(jìn)行采集。

1.2 數(shù)據(jù)采集器

在整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的就是數(shù)據(jù)采集器，其主要的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各種信息的高效傳輸和精確處理，是整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮出承上啟下作用的關(guān)鍵，也就是說，首先，數(shù)據(jù)采集器需要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部一部分傳感器采集的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)也能夠在關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮出良好的保護(hù)功能。體現(xiàn)出了集中作用;其次，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)中必須要同時(shí)布置多個(gè)數(shù)據(jù)采集器，這樣才能很好的完成對(duì)所有傳感器采集信息的高效處理，所有的數(shù)據(jù)采集器在針對(duì)具體信息進(jìn)行處理后最終傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。而數(shù)據(jù)采集器與工控機(jī)之間要想實(shí)現(xiàn)信息傳輸，就必須要建立起相應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)接口，由于2者之前的通訊質(zhì)量會(huì)受到通訊距離和干擾能力等各種因素的干擾，因此在本次設(shè)計(jì)過程中針對(duì)數(shù)據(jù)采集器配備的是RS485串行接口，2者之前的通訊則主要是通過這種串行接口協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。在結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的分布狀態(tài)以及視覺的容量范圍來合理的設(shè)置數(shù)據(jù)采集器。另外RS485通訊芯片實(shí)際的驅(qū)動(dòng)性能也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)置數(shù)量起到?jīng)Q定性作用[2]

1.3 工控機(jī)

工控機(jī)的主要作用就是在接受數(shù)據(jù)采集器處理后的數(shù)據(jù)信息后，這對(duì)各種接收信息進(jìn)行分析、判斷并將結(jié)果進(jìn)行顯示，在此基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的再集中。工控機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要可以完成以下一些任務(wù)：①對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行循環(huán)訪問，并在訪問過程中實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置數(shù)據(jù)信息的采集;②將電纜的分布模擬圖顯示出來，并對(duì)各個(gè)傳感器實(shí)際的布設(shè)位置進(jìn)行顯示;③利用程序擴(kuò)展功能，對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布的電纜進(jìn)行高效管理。

2 傳感器選型

2.1 選擇溫度傳感器

在本次進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中針對(duì)電纜溫度主要是利用測溫電纜來實(shí)現(xiàn)。熱電偶效應(yīng)失去應(yīng)用的基本原理，在整個(gè)電纜長度方向上，針對(duì)與溫度信息相對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)進(jìn)行測量，這種測量方法能夠充分保證精度，而且還具有良好的線性度。

測溫電纜FFLD和CITC通常情況下又被稱為是線性連續(xù)熱電偶或?qū)崾綗犭娕糩3]。在近幾十年在線溫度傳感器技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸形成了測溫電纜。這種專利產(chǎn)品溫度探測功能具有其自身特點(diǎn)，與普通的熱電偶相比較，熱接點(diǎn)并不是處于固定狀態(tài)，電纜這個(gè)溫度點(diǎn)與熱接點(diǎn)處于最新狀態(tài)，當(dāng)整個(gè)電纜上面其中一點(diǎn)（TI）實(shí)際溫度要比其他部分高的時(shí)候，在這一位置熱電偶導(dǎo)線的絕緣電阻（R）也會(huì)相應(yīng)的降低，在這種情況下就會(huì)出現(xiàn)“臨時(shí)”熱電偶接頭，這種熱電偶接頭的主要作用與常規(guī)單接點(diǎn)熱電偶接頭非常相似，當(dāng)整個(gè)電纜上出現(xiàn)另外一個(gè)點(diǎn)（T2）溫度超過（T1）點(diǎn)在情況下，（T2）位置的熱電偶導(dǎo)線之間絕緣電阻將會(huì)成為最低點(diǎn)，在這種情況下.又會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)新的“臨時(shí)”熱電偶接頭。

2.2 電流傳感器選型

在本次系統(tǒng)設(shè)置的過程中對(duì)電磁式電流互感器進(jìn)行了大量運(yùn)動(dòng)，這種互感器與普通變壓器在工作原理上比較相似。下圖2所示為電流互感器的原理接線。

利用電流互感器作為電流的檢測主要滿足以下特點(diǎn)：①由于電流互感器的原邊線圈串聯(lián)在回路中，而且線圈匝數(shù)較少，所以，在檢測電流的過程中主要與負(fù)荷側(cè)電流有關(guān)而與副邊電流無關(guān);②電流互感器的副邊線圈電阻較小，因此通常情況下，電流互感器運(yùn)行狀況接近短路狀況。通常將電流互感器的原邊及副邊電流的比值成為互感器的額定互感比，用公式表示成kn=I1n/I2n，由于在實(shí)際使用時(shí)電流互感器一次側(cè)的額定電流數(shù)值已經(jīng)形成固定的標(biāo)準(zhǔn)值，而二次側(cè)電流出廠固定為5A、1A或者0.5A的固定數(shù)值，因此互感器的互感比就形成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，同時(shí)互感比還可以用一次側(cè)以及二次側(cè)的線圈匝數(shù)比進(jìn)行表示kn=N1/N2。本文使用的數(shù)據(jù)采集器需要滿足的數(shù)據(jù)輸入等級(jí)為毫安信號(hào)等級(jí)，通常只有毫安型電流互感器能夠輸出毫安級(jí)電流信號(hào)，因此本文選用毫安型電流互感器作為滿足數(shù)據(jù)采集器的電流數(shù)據(jù)檢測器件。

2.3煙霧傳感器

煙霧傳感器是一種將檢測到的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)的檢測傳感器。其中檢測用的敏感元件是利用發(fā)光二極管以及光電二極管組成的，在電纜檢測部位沒有形成煙霧的狀態(tài)下，傳感器中的光電二極管短路狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，產(chǎn)生的煙霧進(jìn)入傳感器內(nèi)部，由于煙霧粒子的折射使得光電二極管形成通路，并且所形成的的回路電流與煙霧粒子的濃度成正比關(guān)系，從而由于煙霧的濃度變化使得光電二極管形成光電流大小的變化，而后經(jīng)過內(nèi)部信號(hào)的轉(zhuǎn)換形成一定比例關(guān)系的電流輸出，利用輸出的電流對(duì)報(bào)警系統(tǒng)形成控制。本文所利用的煙霧傳感器型號(hào)為JTY-CD-CH3102型光電感煙探測器。

2.4 環(huán)境溫度傳感器

為了對(duì)電纜使用位置的環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，本文利用型號(hào)為DS18820的溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測。此種傳感器適一種利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)溫度檢測的器件，是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的一種單線型溫度傳感器，由于其穩(wěn)定的檢測性能以及低廉的價(jià)格使得其得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)該傳感器具有體積小，連接方便，信號(hào)傳輸遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

2.5 數(shù)據(jù)采集器的選型

為了將檢測到的各個(gè)物理量進(jìn)行信號(hào)處理、傳輸，需要對(duì)其進(jìn)行采集處理。本文利用型號(hào)為AD-AM-4018的16位18路輸入的模擬量采集裝置對(duì)模擬量進(jìn)行采集、傳輸。此款模擬量采集模塊具有較高的經(jīng)濟(jì)性，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)以及輸出信號(hào)形成光電隔離，隔離電壓達(dá)到了直流3000V，從而實(shí)現(xiàn)輸入的弱電檢測信號(hào)與外部電纜傳輸電流彼此隔離，保證檢測信號(hào)的準(zhǔn)確性。ADAM-4018信號(hào)處理用后可以通過RS-485串口通信將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)進(jìn)行處理。同時(shí)該款模塊支持熱電偶測溫模塊輸入信號(hào)的處理，可以用來進(jìn)行溫度檢測。

2.6 數(shù)據(jù)采集器與工控機(jī)的通信

現(xiàn)場檢測到的物理量通過數(shù)據(jù)采集器采集以后可以通過RS-485串口通信進(jìn)行傳輸，本文選擇的下位機(jī)系統(tǒng)是工控機(jī)，由于工控機(jī)的串口通信方式為RS-232接口，因此需要利用RS485/232轉(zhuǎn)換器將彼此信號(hào)轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)兩者的通信。工控機(jī)根據(jù)硬件檢測信號(hào)，在軟件系統(tǒng)的處理、計(jì)算，得到當(dāng)前電纜狀況，對(duì)其作出綜合判斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體流程設(shè)計(jì)

整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的流程如圖3所示。

根據(jù)以上流程看出，當(dāng)傳感器采集到電纜表現(xiàn)的溫度、煙霧等信號(hào)后，將得到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)，如果超過某個(gè)設(shè)定的閾值，那么系統(tǒng)做出判斷，自動(dòng)報(bào)警。

3.2 火災(zāi)預(yù)警探測數(shù)據(jù)融合判斷實(shí)現(xiàn)

當(dāng)電纜接頭出現(xiàn)溫度過高而產(chǎn)生火災(zāi)的情況下，環(huán)境溫度會(huì)逐漸上升，而且會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，與此同時(shí)，環(huán)境、季節(jié)、晝夜情況的變化也會(huì)對(duì)電纜接頭表面溫度、環(huán)境溫度、煙霧等參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可以將上述3種參數(shù)作為基本的模糊變量，通過對(duì)3種傳感器快捷信息進(jìn)行融合之后，提取其中的有效信息，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的可用模糊算法。模糊邏輯是構(gòu)建模糊系統(tǒng)的基本條件，但是在選擇實(shí)際應(yīng)用過程中只能通過經(jīng)驗(yàn)來選擇模糊系統(tǒng)的規(guī)則集和隸屬函數(shù)等參數(shù)，而且這幾種參數(shù)的調(diào)整比較困難。充分利用加權(quán)模糊邏輯就能夠針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)則集合進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。系統(tǒng)的算法如圖4所示。

通過對(duì)輸入檢測信號(hào)的判斷，對(duì)電纜狀況進(jìn)行如下報(bào)警判斷：①如果系統(tǒng)檢測到煙霧信號(hào)，就會(huì)發(fā)出火警報(bào)警;②如果所有信號(hào)均達(dá)到預(yù)警值較高范圍，則輸出預(yù)警類型為火警;③如果熊有2組信號(hào)檢測超過預(yù)警值，其它信號(hào)正常，那么系統(tǒng)會(huì)發(fā)預(yù)警2;④如果系統(tǒng)已經(jīng)存在預(yù)警1，其它信號(hào)為正?；蛘呋蛘叱霈F(xiàn)預(yù)警類型2，系統(tǒng)輸出預(yù)警類型1;⑤如果3個(gè)出現(xiàn)預(yù)警類型1，那么系統(tǒng)輸出報(bào)警類型為預(yù)警2;⑥其余情況均輸出正常，無預(yù)警。

4 系統(tǒng)仿真

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分屬于火災(zāi)預(yù)警模塊，在本節(jié)研究過程中主要以2211電纜接頭作為對(duì)象，并主要選擇了電纜表面溫度、環(huán)境溫度、煙霧等一些參數(shù)繼續(xù)分析[4]?？梢砸詫?shí)際發(fā)生電纜接頭故障情況下的數(shù)據(jù)來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)警模塊進(jìn)行測試。如表1所示。

從表1的分析結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)預(yù)警功能，與此同時(shí)還能夠保證預(yù)警的精確率。

5 結(jié)語

文章在研究過程中主要是以溫度信息來反映電纜接頭絕緣在線監(jiān)測的重要性，在針對(duì)具體狀況進(jìn)行全面闡述分析后，通過模擬分析方法，最終選擇溫度、電流、環(huán)境溫度、煙霧等幾項(xiàng)主要信息，最終設(shè)計(jì)出了電纜接頭在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)，通過仿真驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全滿足電纜火災(zāi)預(yù)警的實(shí)際需求。

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