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        分布式電氣火災監控系統

          分布式電氣火災監控系統

          在工業控制領域,控制系統已由傳統的集中控制向分布式控制改變,需要進行遠程檢測和控制以保證設備的安全。常見的電氣故障引發的火災更是設備安全中不容忽視的問題。針對現代化生產控制系統分布式的特點,如何能更好地對電氣火災進行分析、檢測、診斷和定位顯得至關重要的?;赪eb的嵌入式系統遠程監控方式,利用Internet網絡,通過瀏覽器可以實時檢測由電氣故障引發的電氣火災,并在遠程監控室進行相應的操作,這能有效地應對電氣火災問題。在電氣故障火災預警中,控制器通過相應的管理策略對可能引發的嚴重性進行預測與分級,并在發生重大電氣故障時能夠與生產系統進行聯動以執行相應的操作。

          1、電氣火災的故障分析

          電氣火災監控系統通過檢測電氣線路的故障和異常狀態能有效地預防電氣火災的發生。其中相間短路、原件和電纜超負荷過載、接觸電阻過大和接地故障等電氣線路故障是導致電氣火災的根本原因。

          由電氣火災發生的原因可知,在發生大部分電氣故障時,由于電流過大,溫度升高,斷路器做出判斷,執行斷開動作;而由于接地故障引起的線路故障,常常使用剩余電流檢測,利用脫扣器斷開線路來預防:因此,檢測電氣線路的溫度和剩余電流能預防大部分電氣火災發生。

          2、電氣火災監控器檢測原理

          剩余電流是低壓配電線路中各相(含中性線)電流矢量和不為零的電流,當線路中產生的剩余電流達

          到300~500mA時,線路破損處容易與接地導體發生電火花現象,造成火災事故。因此利用傳感器對電氣線路中的剩余電流、溫度和線路等參數進行采集、分析和判斷,當超出預警設定值時則輸出報警信號,及時進行相應操作和處理,有效避免常見的電氣火災的發生。

          剩余電流檢測器是基于基爾霍夫電流定律,通過檢測主回路電流瞬時值的矢量和來檢測剩余電流。

          如圖1所示,檢測剩余電流時,讓三相線和中性線穿過電流互感器,當系統發生線路故障,剩余電流互感器將感應到的二次側電流傳輸到監控器的剩余電流采集模塊,經過信號濾波,A/D采樣轉換,完成信號的輸出。

        電氣火災監控器檢測示意圖.jpg

          3、電氣火災監控系統的硬件(網絡)組成

          3.1、電力火災監控系統的特點

          傳統的剩余電流保護器主要由檢測原件、信號放大、剩余電流鑒別電流、執行元件等組成(見圖2)。利用保護器原件固化電路,當經信號放大電路放大的信號和保護器門限電壓(即額定剩余動作電流進行鑒別、比較),當放大后的信號大于等于門限電壓時,發送給執行電路信號,執行斷開操作。針對電網中不同分級保護和針對不同負荷,固化型的鑒別電路不能保證高精que的電流保護動作,而且容易造成選型的麻煩。

        傳統的剩余電流保護器組成圖副??1.jpg

          使用分布式的控制原理,將測得的剩余電流利用總線結構,傳輸至監控系統主機,由系統主機通過預先設置好的數據庫來進行比較。在負荷發生變化時,能根據實際情況實時維護數據庫,保證系統的有效運行,并且在電力火災監控系統中加入了線路過電流、溫度檢測使判斷更為精que(見圖3)。

        電氣火災監控器結??1.jpg

          3.2、Modbus總線結構與通信協議

          在智能樓宇和工業控制領域,Modbus總線結構能夠很好地和其他協議的設備通過轉換接口進行通信,實現有效的一體化控制(見圖4)。在工業領域,西門子s7—200系列的PLC支持Modbus通信。在樓宇控制系統中,普遍支持BACnet、Lonworks、Modbus通信協議,并且有專門的控制器實現不同協議的轉換。所以在火災報警系統中,Modbus通信協議具有很強的兼容性。

        系統的Modbus總線結構-??.jpg

          4、電氣火災監控系統的管理策略

          4.1與工業PLC進行聯動

          在傳統的系統中,只考慮到系統的單一化特點,當發生電氣火災預警時,僅僅通過現場控制器發出命令,利用脫扣器斷開斷路器,以阻止電氣火災的發生。在簡單的應用背景下,實現簡單的操作能夠快速有效地防止情況的惡化;但是在工業生產領域,簡單地斷開供電的斷路器,容易造成生產事故的發生,因為生產工藝開啟需要一步步的執行,結束也需要一步步的停止:因此,在電氣火災監控系統中,通過網絡接口,與PLC生產系統互聯,將能有效地避免此類問題的發生,體現了其重要性。

          基于Modbus的總線結構,利用網絡接口(網關),將PLC連接至總線上。當火災預警發生時,且達到*高危險級別,需要執行停機操作時,電氣火災監控器將停機信號傳至總線上,工作站的操作員決定是否執行停機操作,通過現場人員的實時判斷,可以有效地解決誤報警造成生產損失的問題。當操作員決定執行停機操作時,PLC接收命令,執行生產系統的停機。當所有步驟已準備完成時,PLC將完成的信號傳至上位機,此時火災報警監控系統的現場監控器將發出脫扣信號,繼電器斷開。

          其實此系統的思想可以使用于工業系統中。在民用的智能樓宇中,將電氣火災的報警系統和空調系統相聯動,當火災發生時,可以調節空調的工況,利用防排煙系統實現排煙操作。

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          4.2分時段、分區域的優化管理

          相比較目前剩余電流式的電氣火災報警系統存在的誤報和漏報的問題,網絡化、分布式的系統結構還具有能夠根據實際情況配置設置點,實現有別于傳統報警系統的優點。利用實時數據庫存儲數據,使分時段分區域的火災報警管理成為可能。

          在傳統的系統中,剩余電流報警閾值為人工設定的固定值,這樣的設置自適應能力不足,且當用電環境發生改變時(例如啟動設備的增加和減少),報警閾值將會和實際情況造成偏差,造成漏報或誤報的情況,報警靈敏度也會有所改變。

          在現場測試中,將不同的功能區分成A(生產區域)、B(辦公樓區域)兩個區域(可以根據實際情況任意將區域按相似性分成若干區域),并將A、B分為夏、冬兩個不同的季節考慮。

          對A、B兩個區域的正常時間的剩余電流進行長期實時的跟蹤監測,繪制了隨時間變化的趨勢(見圖5)。

          圖5中,A1表示區域A夏季中一天的剩余電流變化,A2表示區域A冬季中一天的剩余電流變化;B1表示辦公樓區域B夏季中一天的剩余電流變化,B2表示辦公樓區域夏季中一天的剩余電流變化。

          從圖5中,我們還可以看到,對于區域A剩余電流隨時間和季節的變化并不明顯,基本維持在同一水平,這是由于區域A的生產狀況決定的——因為生產區域在正常情況下為24h不間斷地運行,生產的活動并不會因為白天或者夜晚、夏季或者冬季有所不同,所以A1和A2的剩余電流趨勢基本相同。

          對于區域B,比較B1與A1、B2和A2,我們可以明顯地看到,剩余電流隨著一天24h有著明顯的變化:在白天辦公時間,剩余電流形成一個峰值;在下班時間則急速地降低。比較B1與B2,我們可以看到其趨勢大致相同;但是B2的剩余電流在峰值時刻的數值比B1要大,這是由于在冬天負荷比夏天大,分析其原因是由于空調在制熱的負荷比制冷時候的負荷要大。

          分析A、B的區域,若是采用傳統的固定的剩余電流閾值的方法,對于B區域將會造成靈敏度過低的問題。針對這一情況,我們首先將采集到的剩余電流進行均衡化處理,進行直線分段擬合。

          對于區域A,采用全段擬合的方法。由圖5和經驗

        剩余電流隨時間變化趨勢圖.jpg

        01.jpg

        對于在處理過程中的分段函數的端點出現的不重合的現象,通過對兩線段的延伸,取新的交點確定新的tl,t2,t3,t4。

          通過此方法,確定了擬合的線性曲線見圖6。將剩余電流曲線線性化后,針對不同區域和時段,選用不同的閾值。

          對于區域A,在0~24h的時間內,將剩余電流閾值,剩余電流闞值:6(1+A)初定15%。根據實際系統的情況和長期觀察的報警情況,監控主機能夠實時調節百分值,以使誤報率和準確率達到符合系統滿意的標準。

          對于區域B,在不同的時段將剩余電流閾值

        02.jpg

        擬合的線性剩余電流曲線圖.jpg

        與區域A相同,根據實際系統的情況和長期觀察的報警情況,監控主機能夠實時調節,以使誤報率和準確率達到符合系統滿意的標準。得到的閾值曲線如圖7。

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          5、遠程客戶平臺的數據訪問設計

          通過鏈接入局域網和Internet遠程訪問,將采集到的數據內置Web服務器的后臺數據庫中,實現數據的監控,而且可以發送指令。使用Web瀏覽器能夠實現跨平臺的數據訪問?;贖TML的網頁設計可以用于顯示系統的狀態、趨勢、警報和事件。狀態瀏覽器以一種易于理解的表格形式,顯示動態數據,例如實時溫度、剩余電流等。趨勢瀏覽器將歷史記錄的數據以曲線圖的形式顯示。報警瀏覽器允許用戶通過互聯網對警報和事件監視進行操作。操作者能夠在報警瀏覽器中對報警進行讀取、確認、阻止和分類。

          對分布式的電氣火災監控系統實現剩余電流、溫度以及過電流的監控,能夠有效地對潛在的危險進行預警,以實現防火的要求。其中管理策略的加入更能有效地提高系統的安全性和靈敏度。

         

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