全自动六氟化硫气体采样装置的研制

全自动六氟化硫气体采样装置的研制

王运莉1黄洪镔2单镭3

（1.广东水利电力职业技术学院广东广州510000；2.广州南方电力技术工程有限公司广东广州510000；3.广州冠电电子科技有限公司广东广州510000）

摘要：文章利用了现代先进的计算机控制技术对电力部门的SF6电气设备的自动气体采样装置进行了研制。该装置可实现全自动气体采样操作，同时也具有手动控制的功能，简单易用，全密封取样，具有良好的经济效益及推广前景。

关键词：六氟化硫；气体采样装置；主要技术

六氟化硫（SF6）在常温常压下是一种无色、无味、无毒、不燃、化学性质极稳定的合成气体。SF6的分子为单硫多氟的对称结构，具有极强的电负性，从而具有优良的电绝缘和灭弧性能。目前，SF6作为新一代的绝缘介质，被广泛应用于高压、超高压电气设备中。充装SF6的电气设备占地面积少、运行噪声小，无火灾危险，极大地提高了电气设备运行的安全可靠性。然而，SF6气体在过热、电弧、电火花和电晕放电的作用下，会发生分解，其分解产物可与电气设备中的微量水分、电极和固体绝缘材料发生反应，产物比较复杂，有气体杂质，如四氟化碳（CF4）、氟化硫酰（SO2F2）、氟化亚硫酰（SOF2）、二氧化硫（SO2）、十氟一氧化二硫（S2OF10）等；还有一些固体杂质，如氟化铝（AlF3）、氟化钨（WF6）等。对于运行中的电气设备，要判断其设备内部运行状态相对困难，而通过分析检测SF6气体的分解产物是判断SF6气体绝缘设备内部运行情况的一个强有力手段。因此，则需要将实际运行设备中的气体取样，带回实验室进行分析检测。一般来说，所采样的SF6气体是用来做气谱分析的，所取样品必须能够代表设备本体内大部分气体的特征，而且要保证采样而来的SF6气体不会被外界气体所污染，因此SF6气体的纯度显得十分重要。

1.主要技术依据

1.1控制系统的方式及结构选择

区别于纯人工的气体采样方式，本装置要求排气、清洗、充气等动作能自动完成，因而必须设计一套自动控制系统，控制系统必须具备控制器、执行器、输入装置及压力检测装置等。

1.2控制系统的硬件选择依据

a）控制器——PLC

控制器是控制系统的核心，其主要任务是接收输入及反馈信号，完成处理及运算并发出控制信号，控制执行器发生动作，从而完成目标值的控制。控制器的设计上有两种方案，一种是采用纯电子元件构成的硬件式逻辑电路控制器，另一种是采用微处理器芯片构成的软件式控制器。逻辑电路控制器功能比较单一，不能实现编程控制，其电路比较复杂，体积也比较大，稳定性和可靠性都不高，因而不符合本项目设计要求。由微处理器芯片构成的智能软件式控制器，可以通过软件编程实现丰富的控制功能，当控制策略变生变化时，只需要改变程序即可，不需要改动和变换系统的硬件，而且由于其集成度较高，体积也较为轻便，性能可靠，在各方面都比较符合本项目设计要求，因此本项目采用微处理器芯片构成的智能软件式控制器。

随着电子技术及计算机技术高速发展，目前带有微处理器芯片的工业用控制器技术水平日趋成熟。目前，带有CPU芯片的控制器主要有PLC、单片机、DSP、ARM芯片等，各有优缺点。单片机又称单片微控制器，是一种超大规模的集成电路芯片，内部集成有CPU、存储器、总线等，相当于一个微型计算机，具有体积小、重量轻、价格便宜等优点，但却缺少I/O接口，在使用时一般需要单独设计外围电路及接口，不仅结构复杂，而且在稳定性和可靠性方面也不如PLC。DSP芯片又称数字信号处理器，其工作原理和单片机类似，运算速度比较快，但主要用于数据量较大的处理。ARM芯片是一种32位的单片机，一般用于嵌入式系统中，可以加载Linux、Wince等复杂的操作系统，但同样需要设计外围电路和接口，设计要求高。PLC又称为可编程逻辑控制器，其内部具有CPU芯片，并且其存储器可以存储内部程序，用于执行各种逻辑运算、顺序控制、定时、计数等面向用户的指令，并且其带有数字或模拟式输入/输出模块，可以控制各种类型的机械或生产过程。利用PLC组建控制系统，不需要设计复杂外围电路，且其稳定性和可靠性也较高，特别适合野外等环境相对恶劣的场合或工业应用场合，另外，PLC的程序设计也相对简单，符合本项目要求，因此，本项目拟采用PLC作为控制器模块。

b）传感检测装置——气压传感器

在自动控制系统中，传感检测装置一方面用于采集信号，另一方面也作为反馈元件存在，向控制器输入被测信号的大小。在本项目中，主要需要检测及反馈的信号是气瓶、气路的压力值。要确保压力控制的准确性，则必须选择比需要保证的压力的最小单位高一个数量级的传感器，而且此传感器的输出信号必须与PLC的输入接口相适应。

c）执行器——球阀

本自动控制系统中，执行器相当于打开和切断气路的开关，控制着充气及断气的动作，执行器采用电动球阀，有常闭与常开两种状态，由PLC控制器向电动球阀发出控制电信号控制切换到阀门打开状态，使得气路导通。

d）操作面板——全触摸的液晶屏幕

操作面板是控制系统的输入、显示设备，可以实现对控制器的控制目标参数设定、接收控制器的信号显示设备的工作状态、对控制过程进行关停等功能。从技术的先进及便利性出发，操作面板采用全触摸式的液晶操作面板，具有结构紧凑，操作便利等优点，可以直接与PLC等工业微机通讯。

1.3控制系统的软件

软件主要是指运行在微处理器构成的智能控制器上系统程序，由于本系统采用了PLC作为控制器，因而可以采用梯形图语言来编写系统的运行程序，实现控制功能。在程序设计时，必须先充分研究系统的工作原理及工作过程，制定合理的控制策略，绘制程序控制流程图，然后编写程序代码，最后写入PLC存储芯片中。本控制系统的目的主要是控制电动球阀开关实现气路的导通及切断，最终实现对气体采样过程中排空、清洗、充气等步骤进行控制。

2.控制系统的硬件的设计及选型

2.1PLC选择及接线设计

PLC又为可编程的控制器，是一种采用计算机技术的控制器件，能够运行软件程序，完成与继电器组成硬件逻辑控制相同的控制功能。由于其控制灵活、工作可靠、可实现远程控制等优点，在现代工业控制系统中得到广泛的应用。随着电子技术及计算机技术的发展，使得PLC产品在结构、功能、使用性能等各方面不断地改进和提高。目前，PLC种类很多，配套产品也较为成熟。PLC厂商按照国别可以分为日系和欧美系，主要包括三菱、西门子、欧姆龙、松下、安川等。其中欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置。由于本项目中的自动充气控制系统是一种小型的控制系统，主要是根据气室压力情况产生一种顺序逻辑控制动作，故采用小型的PLC即可满足要求。

2.2电动球阀

电动球阀（英文名：ElectronicBallValve）由电动执行机构和球阀共同构成电动球阀。是工业自动化过程控制的一种管道压元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介质）控制。本装置采用电动球阀作为执行器，通过PLC控制器控制电动球阀执行开关动作以进行各种步骤。

2.3全按键式操作面板

采用利用操作界面控制，操作界面能过通信接口与PLC相连，将控制参数传输到PLC中。

3.小结

1.采用PLC、压力传感器、电动球阀组成了自动气体采样的控制系统，从而可以利用软件编程实现充气过程中控制策略的调整，具有智能性、灵活性，优于传统的继电器接触器逻辑电路构成的自动控制系统，方便易用。

2.采用了触摸式的操作面板，设计了友好的人机操作界面，可以方便设定各个步骤的时间参数，能直接对系统排气、清洗、充气、抽真空等步骤进行控制，具有操作便利性、技术先进性。

3.装置体积小、重量轻、便携性好、具有过压保护等优点，采用锂电池供电、方便室外使用。

该项目虽然取得了很大的进展，存在明显的优势，但在技术仍然存一些有待完善的地方。例如，人机操作界面存着菜单画面过多，参数过多等缺点仍需要得到改进。这些问题将有项目的后续研究中逐步得到改进。