無線測溫系統在電弧爐高壓電氣設備上的應用

張巍 俞江 趙瑞雪

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司 北京市 100070 2.常州大學微電子與控制工程學院 江蘇省常州市 213167）

1 引言

目前電弧爐為代表的短流程煉鋼已經成為冶金行業(yè)踐行產能升級、綠色制造、節(jié)能降耗基本國策的熱點[1-2]。高壓開關柜、變壓器、二次短網等高壓電氣設備的可靠運行是電爐設備的安全運行的根本保障。電氣設備運行中的異常發(fā)熱是導致其故障甚至發(fā)生重大事故的主要因素之一，實現電弧爐冶煉過程中重要電氣設備溫度數據的實時監(jiān)控及報警，能有效避免此類事故突發(fā)。由于電弧爐高壓電氣設備分布于作業(yè)現場的不同位置，所處強電、溫度、粉塵等外在環(huán)境各不相同，如何選擇溫度傳感器及組網完成分布式數據采集等問題就顯得十分重要。本系統根據不同的應用場合，采用不同類型的傳感器，通過DTU 設備讀取傳感器數據，經泗博公司生產的網關MP-160 轉換，將Modbus 協議的數據轉換成Profibus DP 模式下和主控PLC 系統連接，完成各電氣設備溫度監(jiān)控數據的采集。

2 電弧爐鋼廠測溫點分布及傳感器的選型

2.1 測溫點分布

高壓開關柜用于向爐子變壓器供電，柜內主要由真空斷路器小車、過電壓保護裝置，隔離車、連接母排等設備組成[5]。在長期運行過程中，因各種原因造成觸點氧化，接觸電阻增大，在運行時不斷發(fā)熱，引起溫度上升，給設備安全運行埋下了隱患。

電爐變壓器是高低壓換能設備，設備本體在磁場交變過程中會產生大量熱能，通常用導熱油循環(huán)降溫，設備一般自帶油溫監(jiān)測系統。

二次短網是冶煉電爐變壓器二次側至電極傳輸大電流導體，組成包括銅排、水冷電纜、軟母線、硬母線等，短網組成部分的可靠連接程度直接影響其電阻大小，決定冶煉電路爐設備的電效率和功率因素等電氣性能，因而對冶煉電爐的運行性能有著重要影響[3-4]。

2.2 測溫傳感器選型及數量

目前，工業(yè)領域中常見的測溫系統有電子接觸式、光纖光柵測溫、聲表面波測溫、紅外輻射測溫、紅外成像測溫等方法[6]，受制于不同的應用場合、安裝尺寸和環(huán)境條件，各有優(yōu)缺點。而電弧爐煉鋼電氣設備種類多，分布廣，不能用一種傳感器就能滿足各類電氣設備的測溫需求，所以本系統針對2.1 中4 類不同的測溫點，選擇不同的傳感器來實施溫度檢測，如高壓開關柜，由于其結構復雜、高電壓等因素考慮用無線無源傳感器，選擇采用珠海泰諾公司產品，溫度測量范圍：-25 ℃— +125 ℃，感應取電，啟動電流：≥5 A，測量精度：±1℃，無線傳輸頻率：433 MHz；用捆綁方式安裝在高壓柜進出母線接頭處，DTU 終端完成采集傳感器數據，通過485接口處理后轉成Modbus 協議數據格式，實現高壓柜內共計6 個關鍵測點的溫度監(jiān)測。

圖1：無線測溫系統原理圖

圖2：PMG-123 模塊現場總線配置

二次短網系統因處于高粉塵、大電流、高溫的條件下，且按鋼廠運行維護規(guī)范，每月均有停電維保作業(yè)時間，可以考慮采用在短網連接處安裝有源電池接觸式無線測溫傳感器，同樣選擇泰諾公司產品有源無線測溫傳感器，電池供電，使用壽命8年；用螺栓固定方式安裝在變壓器同名端與二次短網連接處，同樣方式檢測短網與水冷電纜連接處溫度，DTU 終端完成采集傳感器數據，通過485接口處理后轉成Modbus 協議數據格式，實現二次短網共計6 個關鍵測點的溫度監(jiān)測。

電爐變壓器溫度監(jiān)測分高壓進線側接點和由變壓器本體溫度監(jiān)測兩類。高壓進線側采用和高壓柜一樣的模式[7]，計3 個接點溫度；變壓器本體溫度監(jiān)測通過生產廠家自帶熱電偶式溫度傳感器，監(jiān)測循環(huán)冷卻油溫及變壓器各繞組溫度，在變壓器控制箱內集成有智能RTU 裝置，完成溫度等數據采集后以Modbus 協議數據遠傳。

圖3：高壓柜進出線側、變壓器進線側溫度監(jiān)控畫面圖

3 電弧爐高壓電氣設備無線測溫原理及組成

3.1 無線測溫系統原理

電弧爐高壓電氣設備無線測溫系統首先通過無線傳感器檢測高壓電纜或母排連接點溫度，然后通過無線射頻技術將溫度信號傳到溫度接收模塊DTU，經485 接口Modbus 協議連接到PM-160 網關協議轉換器，將數據轉成Profibus DP 協議連接到主控PLC 系統，由上位機組態(tài)軟件WINCC 界面上實現數據監(jiān)控。

3.2 無線測溫系統的組成

電弧爐高壓電氣溫度監(jiān)測系統由3 臺DTU 設備，15 個無線溫度傳感器，1 臺PM-160 網關轉換器以及主站控制的PLC-S7-300 主機1 臺，以及用于組態(tài)監(jiān)控的上位機組成。由于PLC 和上位機還用于電弧爐其他控制，實現了無線測溫系統和爐控自動化等的系統集成，完成數據共享。

3.3 無線測溫系統的網絡及通信實現

系統框架圖如圖1所示，無線溫度傳感器經集成無線信號接收終端的DTU 后采用RS-485 接口，Modbus 通訊協議，將采集到的數據經過網關PM-160 轉換為PROFIBUS-DP 協議與PLC 進行通訊，顯示在上位機控制系統界面。系統也可以通過DTU 讀取變壓器本體自帶智能監(jiān)控系統總溫度的數據，一并上傳到上位機。

其中PM-160 是一款實現Modbus 協議與PROFIBUS-DP 協議數據通信的智能型網關，可連接多個具有Modbus (RS485/RS/422)接口設備到PROFIBUS-DP 網絡，通過PROFIBUS 通信數據區(qū)和Modbus 通信數據區(qū)的映射關系可以實現主站與從站的雙向通訊。PM-160 在Modbus 端選擇主站模式，在PROFIBUS-DP 側為從站。網關配置軟件PMG-123 配置需要的命令參數然后將其下載到網關中。如圖2所示。

子網配置如下：協議類型：Modbus 主站模式串口波特率：9600bits/s；數據位：8；奇偶校驗：無校驗；停止位：所配置的參數需要與Modbus 從站一致，不能重復。

在子網下添加5 個節(jié)點，添加03、16 號命令進行數據讀寫，修改Modbus 寄存器起始地址和數據個數。子網下共添加讀保持寄存器數據個數7 個，預置多個寄存器數據個數2 個。

配置完成后在配置模式下通過RS232 串口將配置下載到網關內，然后將網關再撥到運行模式給網關重新上電。在Step7 中使用PM-160 的GSD 文件進行組態(tài)編程，設置需要的輸入輸出字節(jié)塊等參數，即可實現通訊。

4 無線測溫的上位機組態(tài)軟件實現

4.1 STEP7中組態(tài)配置

首先將PM-160 對應使用的GSD 文件成功導入Step7 中，然后進行組態(tài)。新建DP 從站地址為7。(將PM-160 數碼管顯示地址手動調整為7，組態(tài)軟件中的PM-160 此處DP 從站地址必須與網關數碼管上面顯示的地址值一致)。添加8 個字的輸入輸出數據塊后系統會自動分配DP 從站的輸入、輸出起始地址，與網關的輸入、輸出內存映射區(qū)域對應。組態(tài)時所添加的輸入輸出字節(jié)總數需大于等于在配置軟件PMG-123 中總的字節(jié)數。PROFIBUS DP 端正常連接后，網關上面的STA 指示燈會綠燈閃爍。當串口端數據交換正常時，網關上面的串口指示燈TX、RX 燈會綠燈閃爍。此時在PLC 中可以正確看到串口端的數據變化。

4.2 無線測溫系統上位機組態(tài)監(jiān)控實現

在電爐自動化控制項目中采用西門子公司wincc 組態(tài)軟件作為上位機監(jiān)控畫面，通過定義監(jiān)控數據表，操作組分配表后繪制組態(tài)控制圖實現對無線測溫系統各測點的溫度監(jiān)控。如圖3所示為高壓柜進出線側、變壓器進線側溫度監(jiān)控畫面圖。

5 結論

北京金自天正智能股份有限公司在電弧爐自動控制系統項目中采用無線模式下有源和無源兩種不同的傳感器檢測電爐高壓電氣設備運行中實時溫度值，實現對高壓電氣運行的全面監(jiān)控，有效防止高壓電氣設備因溫度過高引起故障，杜絕了事故的發(fā)生，取得了良好的經濟效益。