SF6气体密度在线微机测量系统

　　1 引言

　　SF6气体是一种无毒、无色、无味，化学性能极稳定的物质，具有优异的灭弧和绝缘性能。目前，SF6气体广泛应用于电力企业的电气设备中，如SF6断路器、SF6高压组合电气设备(GIS)等。在电力企业含SF6气体设备的使用中，SF6气体如产生泄漏，将直接影响电气没备的绝缘性能，甚至发生重大事故。同时，泄漏的SF6气体由于被电弧分解或与空气中的一些成分发生反应，生成有毒的气体，将会对工作人员产生巨大危害。因此，对这些设备中SF6气体密度的监测至关重要，SF6气体的密度是电力企业安全运行的重要参数之一。

　　传统的监测手段是通过机械式指针仪表来测量设备中SF6气体的密度。虽然也有报警输出，但测量数据不能远传，不利于组成在线监测系统，给安全生产带来隐患。同时，由于电气设备安装的限制，很多测点位于很难直接观测到的位置，给日常的测量和记录带来很大麻烦。

　　本文提出的SF6气体密度微机测量系统是一种在线SF6气体多参数采集系统，它具有自动快速地进行气体压力数据采集、温度补偿、精确计算气体密度等处理功能，从而实现电厂在生产过程中对SF6气体密度进行实时监测以及历史数据分析，以达到最佳的管理效果。

　　2 系统结构

　　本系统由密度变送器、微机测量系统两部分组成。其中微机测量系统包括数据采集站和客户端两部分。客户端设在调度室，采用台湾研华(ADVANTECH)公司的工业控制计算机。数据采集站设在含SF6气体设备的工作室内，由下位机和上位机组成，采用台湾研华(ADVANTECH)公司的IP-PC平板电脑Industrial Panel PC系列作为上位机，以西门子(SIEMENS)PLC(可编程控制器)作为下位机，系统结构如图1。

　　通过以上的集散式采集方式，使系统具有开放式的结构。可根据现场的测量点数，组合成各种规模的测量系统。

　　3 密度变送器

　　SF6气体状态参数计算可用Beattie-Bridgman公式表达

　　式中：p为压力(Pa);γ为气体密度(kg/m3);T为气体热力学温度(K)。

　　根据式(1)，当气体密度γ不同时，可得到SF6气体压力与温度按不同的斜率成线性变化的关系，SF6气体压力-温度成一组状态参数据曲线簇，如图2。

　　密度变送器的敏感元件采用温度、压力复合传感器芯片。复合传感器是通过一系列特殊的工艺，在一个硅片上集成压力传感器和温度传感器。可以感受设备内部同一点SF6气体的压力和温度。这样，通过式(1)，可计算出SF6气体的密度。

　　密度变送器的电路部分采用微处理器智能处理技术，单片机采用C8051F023微处理器芯片。C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，功能完善，设计灵活。压力和温度信号通过输入信号处理电路接入模数转换器件AD7705。AD7705是利用∑-△转换技术实现了16位无丢失代码的模数转换芯片。单片机完成数据采集后，计算出SF6气体的密度，通过D/A输出4～20 mA标准信号给微机测量系统。

　　密度变送器的机械结构设计也很重要。如果传感器密封不好，或传感器与高压设备的连接设计不合理导致SF6气体泄漏，将会给安全生产带来巨大威胁。因此，在设计中采取了以下多项措施，保证变送器密封：

　　①密度变送器的安装位置与指针密度表的安装位置相同，串联连接，截止阀控制，如图3所示。

　　②传感器采用全焊接结构，传感器本体的隔离膜片和TO座及本体与连接件之间氩弧焊接。承受压力7 MPa(70个大气压)以上，超过设计压力(0.7 MPa)10倍，彻底解决可能出现的泄漏问题。

　　③密度变送器安装前要经过打压试验，安装后，还要用便携式检漏仪检漏，以确保变送器密封。

　　4 微机测量系统

　　测量系统包括数据采集站和客户端两部分。

　　4.1 数据采集站

　　数据采集站分为下位机和上位机两部分。

　　下位机采用西门子(SIEMENS)PLC(可编程控制器)S7-300系列，完成对密度变送器信号的采集。在一个SF6设备工作室内，可根据测量点数设计PLC采集模块的规模。各不同的SF6设备工作室也可以由一条PROFIBUS电缆组成下位机系统。S7-300的CPU模块把采集到所有密度数据通过工业通讯网卡把数据传给上位机。

　　上位机采用研华(ADVANTECH)公司的Industrial Panel PC平板电脑。IPPC平板电脑采用不锈钢结构，LCD采用钢化玻璃保护，符合NE-MA4/IP65标准。使工业控制计算机得到可靠的防护。Soket370结构CPU使IPPC工业电脑的硬件结构更加稳定、可靠。采用15英寸(380 mm)XGATFT LCD显示屏，使操作更具人性化。分辨率为1024×768，色深256 k。CPU为P42.4G，PCM-957181CPU板;操作系统采用WINDOWS2000。完成所有数据的采集并实时显示，在画面上为实时状态图和实时参数表分别显示，同时完成实时报警、趋势曲线、历史数据存贮等功能。

　　4.2 客户端

　　很多SF6设备工作室为无人值守，为了能使测量数据及时地显示给工作人员，数据采集站的上位机设计了网络接口，与调度室的客户端计算机组成点对点的网络。这样，一旦有报警发生，调度室的工作人员第一时间就能从弹出的实时报警窗口中了解到故障出现的具体位置。

　　客户端为台湾研华(ADVANTECH)公司的工业控制计算机。硬件组成与现场计算机相同，配接打印机，完成与数据采集站的通信，同时在调度室完成所有现场计算机具有的显示功能，并具有网络报警、网络数据库、报表打印功能。

　　同时，可以通过客户端的计算机，使测量数据、显示页面上传到企业的局域网。这样，企业的相关管理部门也可能通过网络，及时地了解SF6设备工作室各测点SF6气体的密度。

　　5 软 件

　　采集站和客户端采用同一种组态软件，软件底层采用MICROSOFT公司WINDOWS2000操作系统。组态软件采用北京亚控公司的工业组态软件——组态王6.5进行编程。界面包括登录、实时状态图、实时参数表、报警窗口(实时报警窗口和历史报警窗口)、历史曲线、报表打印等。

　　本系统已在国内某大型电力企业中实际应用，测量点数超过了200点，于2004年9月投入运行。整个系统一直运行安全、无泄漏发生、测量准确、运行可靠，软件界面友好、工作稳定、使SF6气体的监测有了实时性和可靠性保证，提高了劳动生产率和工作效率。使用中成功地对某气室中SF6气体的密度过低进行了报警，给生产管理提供了安全保证。目前，已成为该企业控制生产运行的安全性所必不可少的系统之一。