段正華,彭俊超,徐安江

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南曲靖 655000)

1 鉛鋅冶煉工業(yè)電氣裝置需求分析

鉛鋅冶煉工業(yè)是個(gè)龐大復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),大量使用中低壓開關(guān)柜、高壓電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備。對(duì)自動(dòng)化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求,不僅對(duì)其供電可靠性越來越高,而且對(duì)冶煉工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的配電及高壓電動(dòng)機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定可靠性也提出了更高的要求。電氣設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中,電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱,進(jìn)而導(dǎo)致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故[1]。變電站或配電室內(nèi)開關(guān)柜等電氣設(shè)備安裝密集,電動(dòng)機(jī)也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備,故此類事故可能會(huì)導(dǎo)致大量電氣設(shè)備損壞,并引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設(shè)備突然停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

近年來,傳感器及物聯(lián)網(wǎng),設(shè)備的在線監(jiān)測(cè),及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的快速發(fā)展,結(jié)合鉛鋅冶煉工業(yè)的特點(diǎn)及需求,新技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)解決此類問題提供了新的解決方案。

2 關(guān)鍵新技術(shù)的選用

針對(duì)上述提出的問題,結(jié)合溫度傳感器、Zigbee無線傳輸、云應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀,本文提出了多種新技術(shù)的解決方案并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行應(yīng)用。

2.1 溫度測(cè)量技術(shù)的選用

傳統(tǒng)的測(cè)溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測(cè)溫,溫度傳感器與測(cè)溫儀之間采用金屬導(dǎo)線傳輸溫度信號(hào)。電氣設(shè)備測(cè)溫檢測(cè),由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)/觸點(diǎn)上,其信號(hào)傳輸金屬導(dǎo)線的絕緣性能無法保證。同時(shí),對(duì)于改造類項(xiàng)目實(shí)施難度較大,因此推薦采用無線測(cè)溫方法進(jìn)行檢測(cè)。目前無線測(cè)溫方法包括感應(yīng)供電無線測(cè)溫、CT 取電測(cè)溫、電池供電無線測(cè)溫方式及紅外在線測(cè)溫方式。紅外測(cè)溫需要鏡頭對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱點(diǎn),塵土震動(dòng)對(duì)其影響較大;有源無源測(cè)溫較合適,無需布線,易于安裝,但有源測(cè)溫需要外供電池,受電池壽命影響,需要更換;CT 取電測(cè)溫安裝相對(duì)復(fù)雜,受自身發(fā)熱影響,誤動(dòng)作概率明顯高于前者;表1 詳細(xì)比較了各種無線測(cè)溫方法的性能。

綜上,類比不同形式的無線測(cè)溫方式,感應(yīng)供電無線測(cè)溫具有測(cè)溫速度快、周期短、免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)、故障率低等特點(diǎn)。

2.2 無線傳輸技術(shù)選用

無線通信是利用電磁波信號(hào)在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式,其中應(yīng)用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信方式包括:Zigbee 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、工業(yè)無線技術(shù)(WiFi)、超寬帶技術(shù)(UWB)、近場(chǎng)通信技術(shù)(NFC)。

表1 無線測(cè)溫技術(shù)性能比較

藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術(shù),傳輸距離在10 m 范圍以內(nèi),最高傳輸速率約1 Mb/s,其有效速率約為723 kb/s;超寬帶技術(shù)(UWB)傳輸速率一般結(jié)余53～480 Mb/s 傳輸距離小于40 m;近場(chǎng)通信技術(shù)(NFC)適用于近距離貼近操作。Zigbee 技術(shù)的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較近;設(shè)備功耗極低,發(fā)射輸出僅為為0～3.6 dBm;通信組網(wǎng)簡(jiǎn)潔。這些主要特征使Zigbee通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,同時(shí)輸出的數(shù)據(jù)容量也比較大。表2 給出了幾種技術(shù)性能比較。

表2 無線傳輸技術(shù)性能比較

Zigbee 通信協(xié)議的制定是由IEEE802.15.4 團(tuán)隊(duì)和Zigbee 聯(lián)盟共同完成。該通信技術(shù)的PHY 層和MAC 層執(zhí)行IEEE802.15.4 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)層的制定由Zigbee 聯(lián)盟完成,應(yīng)用層比較開放,允許用戶按照不同的需求,自主進(jìn)行開發(fā)。

Zigbee 通信工作頻段共包含3 個(gè),本項(xiàng)目采用的無源測(cè)溫傳感器采用2.4 GHz 頻段,該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率最大為250 kbps,其分為16 個(gè)信道,目前為全球通用,且免申請(qǐng)無需付費(fèi)。為了最大化降低無線電載波通信間的相互沖突,選用CSMA-CA方式(免沖突多載波信道接入技術(shù));為了保證通信數(shù)據(jù)的安全,選用密鑰長(zhǎng)度為128 位的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

Zigbee 組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持2 種方式:星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格對(duì)等結(jié)構(gòu)[2]。本項(xiàng)目采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合使用,形成簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

一般簇樹狀網(wǎng)絡(luò)分配網(wǎng)絡(luò)地址方案為分布式地址分配,具體為每一個(gè)父設(shè)備分配一個(gè)有限的網(wǎng)絡(luò)地址段,并且被分配的地址在特定網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定好深度的節(jié)點(diǎn),由父設(shè)備分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d),計(jì)算公式為:

式中d—該設(shè)備在樹狀拓?fù)渲械木W(wǎng)絡(luò)深度;

Cm—由父設(shè)備管理的子設(shè)備數(shù)量的最大值;

LM—簇樹網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最大深度;

圖1 Zigbee 簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Rm—路由器被父設(shè)備作為子設(shè)備的最大數(shù)。

由公式計(jì)算出的Cskip(d)值,為父設(shè)備向子設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址時(shí)的偏移值。父設(shè)備首先給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械牡谝粋€(gè)子簇頭設(shè)備分配地址,規(guī)則為比父設(shè)備自身地址增1,后續(xù)的子簇頭設(shè)備的地址,按照以Cskip(d)為間隔規(guī)則繼續(xù)分配,按照這個(gè)原則為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有子簇頭分配地址。

2.3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行一般以集中式或者分布式的SCADA 系統(tǒng)應(yīng)用為主,并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,通過傳感器監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵設(shè)備的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方云服務(wù)器,特別是對(duì)于區(qū)域廣,布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會(huì)變得更加方便和容易。傳輸?shù)皆品?wù)器上的數(shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務(wù)器存儲(chǔ),成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù),可以通過智能手機(jī)的APP 顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同用戶的需求和設(shè)備使用情況,可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照既定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,及早通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),并給予用戶提示或者告警信息,減少及降低設(shè)備故障甚至事故的發(fā)生。

3 應(yīng)用方案綜述

云南馳宏會(huì)澤的鉛鋅冶煉廠目前每年生產(chǎn)約10 萬噸鋅和6 萬噸鉛,廠區(qū)內(nèi)包含中低壓配電室50多個(gè),并使用50 個(gè)以上的高壓電動(dòng)機(jī),需要將廠區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵開關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行智能測(cè)溫改造。經(jīng)過技術(shù)對(duì)比,使用無線無源“溫度傳感器+Zig-Bee”溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),準(zhǔn)確的采集關(guān)鍵設(shè)備及設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度信號(hào)[3],并通過智能網(wǎng)關(guān),接入會(huì)澤冶煉分公司既有的光纖通訊網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)共享,通過控制中心的無線測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),超溫部位及設(shè)備精準(zhǔn)定位,超溫報(bào)警,保證關(guān)鍵設(shè)備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性,減少及避免潛在事故的風(fēng)險(xiǎn)。并且,依靠云服務(wù)的“千里眼”系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫信號(hào)的移動(dòng)運(yùn)維,不僅可以通過智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控到關(guān)鍵設(shè)備的溫度,并能在超溫時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),及時(shí)推送到具體負(fù)責(zé)人員的智能手機(jī)終端,實(shí)現(xiàn)高效的問題處理,極大的降低配電裝置及電氣設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn),保證供電可靠性,生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。應(yīng)用方案的基本架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 無線無源測(cè)溫:“溫度傳感器+ZigBee”

經(jīng)過技術(shù)對(duì)比,選定Easergy TH110 溫度傳感器[4]。其主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 Easergy TH110 溫度傳感器參數(shù)表

Easergy TH110 自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流,與測(cè)量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護(hù)。

TH110 采用ZigBee 節(jié)能型通信協(xié)議,Easergy TH110 確保有可靠和強(qiáng)大的通信能力,可以用來創(chuàng)建共享的操作解決方案。Easergy TH110 自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流,與測(cè)量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)。并且,TH110 非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護(hù)。TH110 的圖片及在項(xiàng)目應(yīng)用中的場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 TH110 外觀及應(yīng)用于開關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)

比較重要的工藝段相關(guān)配電室開關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)都安裝了TH110 的溫度傳感器,包括粉煤制備、艾薩爐電收塵、鉛熔煉循環(huán)水泵房煙化爐收塵、熔化爐、余熱發(fā)電站(西)、鉛渣過濾干燥、10 kV 鉛鼓風(fēng)機(jī)房等區(qū)間。

3.2 測(cè)溫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于測(cè)溫傳感器分布區(qū)域廣,數(shù)量多,測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)采用以太網(wǎng)作為主要架構(gòu),并利用既有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),節(jié)省成本并極大地降低了施工難度。

(1)現(xiàn)場(chǎng)的各TH110 溫度傳感器通過Zigbee 協(xié)議無線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置。

(2)溫度接收裝置通過Modbus RTU 通信協(xié)議將溫度信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)。

(3)網(wǎng)關(guān)將協(xié)議裝換為Modbus TCP 規(guī)約,并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)交換機(jī),通過光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小?/p>

(4)千里眼服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò),將各TH110 的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)上傳到云平臺(tái),以供智能手機(jī)的千里眼APP 使用。以焙燒爐硫酸子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示。

3.3 測(cè)溫監(jiān)測(cè)SCADA

測(cè)溫監(jiān)測(cè)SCADA 系統(tǒng)選用施耐德EcoStruxure SCADA 軟件,其后臺(tái)監(jiān)測(cè)工作站放于會(huì)冶控制中心內(nèi)。監(jiān)測(cè)工作站HMI 界面設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)潔原則設(shè)計(jì),按照電力一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃整體HMI 界面。所有區(qū)間測(cè)溫傳感器的歷史數(shù)據(jù)都可以通過SCADA 系統(tǒng)顯示出來,便于用戶與實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)相比較。當(dāng)傳感器測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)高于設(shè)定的報(bào)警值,SCADA 系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警指示給操作員,并可以定位到具體的設(shè)備及安裝部位,方便工程師去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,消除潛在故障的風(fēng)險(xiǎn)。圖5 為傳感器記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線。

3.4 云平臺(tái)“千里眼”系統(tǒng)

千里眼系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)IOT 技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)之一。圖6 為千里眼APP 應(yīng)用截圖。IOT 由IT 信息技術(shù)和OT 運(yùn)營(yíng)技術(shù)深度融合,能夠極大的改造電力設(shè)備,實(shí)現(xiàn)過程和能源的優(yōu)化。本項(xiàng)目中,通過千里眼的應(yīng)用,將會(huì)冶廠區(qū)內(nèi)各安裝TH110 溫度傳感器的開關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,為配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行維護(hù)作業(yè)管理和設(shè)備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+”靈活應(yīng)用方案。而且,千里眼可以提供報(bào)警管理,可以根據(jù)嚴(yán)重程度區(qū)分不同等級(jí)的報(bào)警,并通過短信通知用戶,讓用戶在第一時(shí)間獲取報(bào)警信息,并可以通過手機(jī)APP 確認(rèn)和記錄報(bào)警事件,篩選和導(dǎo)出報(bào)警信息,形成專門的報(bào)告,預(yù)防事故及故障的發(fā)生[5]。除了智能手機(jī)端顯示溫度型號(hào)及提供報(bào)警之外,千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能,提高用戶的運(yùn)維效率及智能化程度。

圖4 焙燒爐硫酸子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 溫度歷史數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)語

圖6 千里眼APP 應(yīng)用截圖

無線測(cè)溫系統(tǒng)在云南馳宏會(huì)澤鉛鋅冶煉廠的首次智能化測(cè)溫改造及應(yīng)用,配套管理系統(tǒng)及千里眼APP 提供溫度異常告警、實(shí)時(shí)設(shè)備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)表、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估等功能,能減少及避免重大因溫度導(dǎo)致故障的發(fā)生。系統(tǒng)運(yùn)用效果良好,大量減少了運(yùn)維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精準(zhǔn)度。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中,因停電時(shí)間有限,改造工作復(fù)雜,仍有部分設(shè)備未能實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),需要進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)溫系統(tǒng)的施工方法,提高安裝效率。其次,隨著技術(shù)的發(fā)展和其它傳感器的應(yīng)用,從不同角度獲得關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù),更客觀地進(jìn)行設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)測(cè),作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬物互聯(lián)等新技術(shù)的應(yīng)用,會(huì)對(duì)運(yùn)維人員的能力及習(xí)慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高用戶的實(shí)際體驗(yàn),開發(fā)更多更貼近用戶的功能,比如資產(chǎn)管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應(yīng)用。