（光学工程专业论文）六氟化硫气体的光学特性分析与检漏系统研制.pdf

一 j 摘要 a b s t r a c t s f 6h a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e rs y s t e ms u c ha sh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s ， t r a n s f o r m e r se t c f o ri t se x c e l l e n ti n s u l a t i v ea n da r ce x t i n g u i s h a b l ec h a r a c t e r i s t i c s b u tt h e s e c h a r a c t e r i s t i c sw i l lc h a n g ew h e ns f 6l e a k s ；i tw o u l db r i n gp r o b l e m st oe q u i p m e n ts a f e t ya n d t a k ed a n g e r o u st oo p e r a t o r ”w o r k i n gr e g u l a t i o no fe l e c t r i c a ls a f e t y p r e s c r i b e st h a ts f 6a n d 0 2d e t e c t i n gd e v i c em u s tb ei n s t a l l e di nh i 曲v o l t a g es u b s t a t i o n s i nt h ee a r l yd a y s ，s o a pw a t e ra n dh a n d h e l dl e a kd e t e c t o ru s e dt od e t e c ts f 6l e a k sw e r e n o to n l i n et e s t i n gm e t h o d s n l ec o n c l u s i o ni sm a d eb yn s e ra n dt h er e s u l ti sa l s on o ta c c u r a t e f r o mt h el a t e19 9 0 st ot h eb e g i n n i n go ft h i sc e i l t u l 哆) n e wo n l i n ed e t e c t i n gm e t h o d ss u c ha s u vi o n i z a t i o n , h i g h - f r e q u e n c yo s c i l l a t o r yn o n - e l e c t r o d ei o n i z a t i o n , e - c a p t u r i n g ，p l a t i n u mh o t e l e c t r o ne m i s s i o na n dc o r o n ad i s c h a r g eh a v eb e e ng r a d u a l l yd e v e l o p e d b u ts o m ep o o r p e r f o r m a n c ei s s t i l lf o u n ds u c ha sd i f f i c u l t yi nf i n d i n gl e a kp o s i t i o n ；t r o u b l ei ni n s u f f i c i e n t q u a n t i t a t i v et e s t i n ga n dd e t e c t i n ge r r o r sc a u s e db ye n v i r o n m e n t a lc h a n g e s l a s e ri m a g e r g a s v l 】e 1 g 2 3 0w h i c hi sd e v e l o p e db ye r p ic o o fa m e r i c a nc a nl o c a t et h es p e c i f i cp a r t so f t h el e a kp o s i t i o ni na r e l a t i v e l yl o n gd i s t a n c e ，b u tt h ed e v i c ei ss t i l ln o ts u i t a b l ef o rs f 6l e a k d e t e c t i n g 1 1 1 ef i r s tr e a s o ni si t sc l u m p s ) , ；t h es e c o n di st h a tt h ei m a g i n gr a n g em u s tb el a r g e r t h a n3m e t e r si no r d e rt og e tab e a e ri m a g er e s o l u t i o n ；t h et h i r di st h a tt h el e a kp o i n tw i t h o u t b a c k g r o u n dc a n n o tb ec h e c k e do u tb yt h i sd e v i c e ，n l i sp a p e rf i r s tp o i n t so u tt h es h o r t a g eo fc u r r e n ts t u d i e so ns f 6d e t e c t i o nt e c h n o l o g y , a n da tt h es a m et i m ea n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h ec 0 2l a s e rc a nb el a r g e l ya b s o r b e d b ys f 6g a s n 圮c o n c l u s i o no fu s i n ga n e ws f 6l e a kd e t e c t i n gs y s t e ma p p l y i n gc 0 2l a s e ri s d r a w n t h es y s t e md e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d t h ed e s i g no fr e m o t em o n i t o r i n gc e n t e r ，d a t a c o n t r o lc e n t e r , o p t i c a la n de l e c t r i c a lc o n t r 0 1s y s t e m ，s f 6o p t i c a la n a l y s i ss y s t e m , t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yt e s t i n gt e r m i n a l ，d e r i v a t i v e ss u c ha s1 - 1 2 sa n ds 0 2c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t t e r m i n a la r ed e s c r i b e di nd e t a i l 1 1 1 es y s t e ma v o i d st h es h o r t a g eo fd e v i c ea g i n gf a s ta n dh i g h f a l s ea l a r mr a t ew h i c hs t a yo nt h eo l ds y s t e m i tc a no n l i n ed e t e c te n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s i nr e a lt i m e ，t h ed e t e c tr e s u l tc a na l s ob ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dt om a k ee a r l yw a r n i n g i t i san e w g e n e r a t i o no fe l e c t r i c i t ys a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dp u t sf o r w a r daf u r t h e rs t u d y d i r e c t i o no nt h et o p i c f k e y w o r d s ：s f 6d e t e c t i o n , s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c 0 2l a s e r , t t c o s - i i ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，d a t as t r u c t u r e s ，c a l i b r a t i o nd e s i g n 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 中文文摘 国家电网公司在其2 0 0 5 年颁布的国家电网公司电力安全工作规程( 变电站和 发电厂电气部分、电力线路部分) 明确要求：需在六氟化硫配电装置室低位区安装能报 警的氧量仪或六氟化硫气体泄漏报警仪，在工作人员入口处必须装设显示器。通过对变 电站开关室的六氟化硫设备的在线监测、实时报警，以保障六氟化硫电器的安全运行。 本文依托福建省高新技术计划重点项目“高性能的变电站g i s 及其环境安全监测系统的 研制”( 项目编号：2 0 0 9 h 0 0 1 8 ) 展开对s f 6 气体的光学特性分析，并在此基础上设计出 基于c 0 2 激光技术的s f 6 气体光学检漏系统。 本文根据项目需求，从整个系统角度出发，对各个部分都做了不同程度的介绍，重 点阐述了s f 6 气体光学检漏系统的设计思想以及实现方案。 第一章绪论首先阐述了课题的研究背景，说明了系统研究的重要意义。其次，介 绍了国内外对于s f 6 气体泄漏检测的研究现状，详细阐述了目前常见的技术，分析了这 些技术的不足之处，进而提出了设计采用光学方法实施s f 6 气体检漏研究的重要意义。 第二章分析了s f 6 气体的光学吸收特性，介绍了c o ：激光的光谱特性，得出结论： s f 6 气体对于c 0 2 激光有很强的吸收特性，c 0 2 激光器可以作为检测s f 6 气体的光源。 第三章阐述了s f 6 光学检漏系统的设计方案，分别对系统总体设计方案、现场数据 交换中心、用户交互设备、光机电控制系统、s f 6 气体光学分析系统和采集终端做了相 应的介绍。 第四章介绍s f 6 光学检漏系统设计的通讯协议，通讯协议是影响整个系统性能的重 要元素，是项目开发的基本依据。在本章分别对现场数据交换中心和被控终端的协议以 及现场数据控制中心和上位机的数据交换协议作了介绍。 第五章介绍了系统的数据结构。根据系统的特点分别设计了系统配置数据、状态 数据、当前数据、历史数据、风机数据和异常数据的数据结构。同时本章也对系统的高 端数据库设计作了阐述。 第六章详细阐述了系统的设计和实现，主要内容包括： 1 现场数据控制中心的设计，内容包含了现场数据控制中心的方案选择，现 场数据控制中心的硬件、软件设计； 2 光机电控制系统的设计，内容包含激光功率模块的设计、控制接口模块的 设计 ， 3 s f 6 气体光学分析系统的设计，具体内容包括分析系统的结构设计以及器件 的选择 4 衍生物采集终端的设计，内容主要包含对s f 6 泄漏时产生的相关衍生物利用 对应的传感器设计对应的检测终端。 第七章根据系统设计要求分析了s f 6 气体不同浓度对应的c 0 2 激光的吸收特性， 给出了系统的检测的s f 6 气体浓度的简易定标的设计过程，从而对系统的浓 度显示提供了依据。 第八章总结了本文所研究的内容，对本课题下一步的研究方向给出了几点建议。 目录 中文摘要 a b s t r a c t 中文文摘 目录 目录。 第1 章 1 1 1 2 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第4 章 4 1 4 2 4 3 第5 章 5 1 5 2 5 3 i i i i v 绪论。1 研究背景。 国内外研究现状。 研究意义。 s f 6 气体特性分析 1 l 2 s f 6 气体光谱特性分析。3 c 0 2 气体激光器。：i 本章小结。4 s f 6 光学检漏系统设计方案。5 总体设计。 现场数据控制中心。 用户交互设备。 光机电控制系统。8 s f 6 气体光学分析系统。8 采集终端 本章小结。 通讯协议设计。 现场数据控制中心和被控终端交换协议。1 0 现场数据控制中心和上位机数据交换协议。1 1 本章小结。 数据结构设计。 数据结构设计。 数据库设计。 本章小结 i 、， 1 2 1 3 1 5 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 第6 章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 第7 章 7 1 7 2 7 3 第8 章 系统的设计与实现。 现场数据控制中心开发。2 l 光机电控制系统。 s f 6 气体光学分析系统 衍生物采集终端 上位机系统设计。 本章小结。 系统简易定标设计 理论分析 3 3 4 2 实验及数据分析。 本章小结 总结和展望 附录1 通讯协议。 附录2 部分u i 设计初稿与最终效果 5 1 ! ；z i 附录3 现场数据控制中心项目结构及部分关键代码7 2 附录4 数据采集服务器部分关键代码。 附录5w e b 服务器开发架构图与运行界面 参考文献。 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 致谢 v 9 6 1 0 3 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 一六氟化硫( 以下简写为：s f 6 ) 具有良好的绝缘性能及优异的灭弧性能【l 】，被公认 为是继第一代空气、第二代油之后的第三代绝缘介质【2 1 ，s f 6 在电力系统的高压断路器、 变压器、互感器、接触器等【3 】1 4 】得到广泛的应用。六氟化硫气体的最大优点是不含碳， 不会分解出影响绝缘性能的碳粒子。工业上首次应用六氟化硫气体作为绝缘材料始于 1 9 5 3 年【5 l ，1 9 5 6 年美国首先将该气体用于高压断路器，1 9 6 5 年第一台采用六氟化硫 气体的全封闭组合电器问世 6 1 ，我国第一台六氟化硫气体组合电器于1 9 7 3 年投入运行 p 邶j 。在变压器中采用六氟化硫作为绝缘材质的重要优点在于装置的小型化、轻量化和 低噪声等，适合应用于人口密集的市区变电站、场地狭窄的地下变电所等，特别符合我 国的现实国情。 随着采用六氟化硫气体绝缘材料设备的推广应用，也出现一些新问题，据统计， 1 9 9 0 - 1 9 9 7 年国内高压开关设备共发生故障1 5 0 0 次，进入新世纪后，大部分等级的 六氟化硫高压开关设备故障率均有明显上升。如当出现六氟化硫气体泄漏时，气体中的 气相水分会使绝缘水平下降，严重影响设备的机械、电气性能，严重时会导致现场人员 因缺氧而窒息【9 】。因此，国家电网公司在其2 0 0 5 年颁布的国家电网公司电力安全工 作规程( 变电站和发电厂电气部分、电力线路部分) 明确要求：需在六氟化硫配电装 置室低位区安装能报警的氧量仪或六氟化硫气体泄漏报警仪，在工作人员入口处必须装 设显示器【l o 】。通过对变电站开关室的六氟化硫设备的在线监测、实时报警，可以保障六 氟化硫电器的安全运行，有效遏制重特大事故的发生，这对于促进安全生产乃至电网的 正常运转具有十分重要意义【l 。 1 2 国内外研究现状 早期对于六氟化硫的泄漏主要采用皂水查漏、手持检漏仪等检测方法，可归纳为两 种g ( 1 ) 定性检漏，包括抽真空检漏和检漏仪定性检漏。( 2 ) 定量检漏，包括局部包扎法、 挂瓶法和扣罩法等。这些方法属于非在线检测，检测时必须先将设备停电，检测结果的 主观性较大，并且不够精确。上世纪九十年代末期到新世纪初，在线检漏仪器逐渐发展 有以下几种1 紫外线电离型、高频振荡无极电离型、电子捕获型和铂丝热电子发射型及 负电晕放电型等。但在实际使用中发现还存在不足，如泄漏部位定位性能差、检测误差 随环境变化大、很难做到精确定位和定量检测等。0 3 年，韦桂欢等采用色谱法分析微 量六氟化硫浓度气体，取得了良好的效果，并指出如改进色谱分离效果，还可大幅度提 高检测灵敏度；0 4 年李明芸通过测量气体水含量及密度作为监测六氟化硫泄漏的依据， 但存在探头腔体中的湿度变化滞后于g i s 设备内部的湿度约l 小时的问题，不满足在 线实时的要求1 1 2 j 【b 】i h j ；0 5 年，本课题组研制的负电晕放电型监测系统，推广到东北、 华东、华南、西南等地应用，近4 年的应用表明，存在放电效率易受温湿度影响，误 第1 章绪论 报警率较高等问题，0 6 年，单鸣雷采用超声传感研制了六氟化硫气体浓度监控仪，也 指出系统的检测精度、稳定性等方面易受振动干扰，朱长纯等研制了一种z n o 薄膜声 表面波型六氟化硫气体传感器，以期提高该方法的应用价值：还有研究人员采用密度测 量作为监测泄漏的依据，但是这种方法对环境特别是灰尘的要求高。随着现代测试分析 技术的发展，还有学者根据国内外研究成果，采用化学传感器法检测六氟化硫的放电分 解产物来验证六氟化硫的泄漏，说明化学分析技术诊断设备故障隐患是可行的【1 5 】【1 6 1 ， 但对于g i s 故障诊断特别是突发性绝缘故障的判断，六氟化硫放电分解组分分析作为 一种有效的方法，还有许多有待试验研究的地方。0 8 年我国上海电力公司引进的美国 e p r i 开发的g a s v u e t g 2 3 0 激光摄像仪，在检测六氟化硫气体泄漏方面实现了重大突 破，在相对较远距离就能发现泄漏的具体部位，精度可达到l e m ，检测结果非常直观； 该仪器已在美国多个电力部门得到使用。吴剑敏根据g a s v u et g 2 3 0 激光摄像仪的应用 情况，指出该方法存在激光发生器体积较大且重、其成像范围必须大于3 m 才能达到较 高的图像分辨率、存在一些死角，另外，由于该设备采用反向散射吸收成像技术，因 此，对于一些没有背景的设备，某些泄漏点是无法检测出来的；并明确指出：如何吸收 和发展国外的激光成像技术，在满足现场检测精度的前提下实现设备小型化，这是今后 发展在线检测手段的一个重要研究方向1 1 7 j 。 1 3 研究意义 随着国家电网公司对六氟化硫在线监测技术要求的不断提高，研制一种能够快速、 有效地检测的s f 6 泄漏状态的方法对于促进安全生产乃至电网的正常运转具有十分重 要意义。 根据前期研究基础、应用情况及行业发展的需要，从精确性、实用性、在线检测可 行性以及成本的合理性等方面，对比目前主要的几种六氟化硫气体泄漏检测原理与方 法，根据s f 6 气体对c 0 2 激光强吸收的特性设计出基于c 0 2 激光检测技术的s f 6 在线检 漏装置可以准确地对变电站s f 6 气体的状态实现监控保证电力设备正常运行。本文介绍 采用c 0 2 激光探测法设计的检测系统可以完全满足六氟化硫气体泄漏的在线检测和定 位要求。采用该系统可以实现s f 6 泄漏的准确定位，降低传感器的布点的成本，提高 s f 6 气体泄漏检测精度。 2 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 第2 章s f 6 气体特性分析 六氟化硫是由法国两位化学家m o i s s a n 和l e b e a u 于1 9 0 0 年合成的、一种在常温 常压下的无色、无臭、无毒、不燃、无腐蚀性的气体【1 引，密度为6 1 3 9 9 l ，化学稳定性 强，不易分解，和酸、碱、盐、氨、水等不反应。s f 6 气体具有良好的绝缘性能和优异 的灭弧性能。从生态、经济等角度来看，作为绝缘和灭弧介质，还没有比s f 6 气体更好 的替代物。s f 6 还是一种简单窒息剂，s f 6 暴露在氧气含量 1 9 5 的大气中会导致头晕、 昏迷、口水增多、反应迟钝、反胃、呕吐、失去意识和死亡。s f 6 经过高温拉弧放电的 分解物氟化亚硫酰( s o f z ) 、氟化硫酰( s 0 2 f 2 ) 、四氟化硫( s f 4 ) 、二氟化硫( s f 2 ) 等 等也对人体有极大的损害。s f 6 气体的密度是6 1 6 k g m 3 ( 2 0 0 c ，1 0 1 3 2 5 p a ) 约为空气的 5 倍。 s f 6 的化学特性是极为稳定的，采用电化学法分析进行实验时发现电化学法的实验 数据的变化趋势和注入纯的s f 6 气体完全一致，并且注入速度越快，变化越明显。即使 电化学法对s f 6 气体敏感，但因为其敏感性是脉冲的，而在现实的高压电气设备中，s f 6 气体都是缓慢释放的，因此电化学法实现对s f 6 气体特性分析。对于s f 6 特性分析常用 光谱分析法。 2 1 s f 6 气体光谱特性分析 利用光谱分析可以对物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量，其优 点是灵敏，迅速，许多新元素如铷，铯，氦等就是通过光谱分析发现的。 j j bl 图2 - 1s f 6 气体红外光谱图【1 9 】 f i g2 1i rs p e c t r ao f s f 6 s f 6 气体对特定波长的红外光有极强的吸收特性，如图2 1 所示，在波数为9 4 7 c m 。i 处光的强度明显减弱【2 0 1 ，在此附近有一个明显的s f 6 气体吸收带，根据波长与波数的倒 数关系，可以得出吸收带在1 0 6 p m 波长附近。 2 2c 0 2 气体激光器 c 0 2 激光器是以c 0 2 气体作为工作物质的气体激光器，其激光能级图如图2 - 2 所示, ， 虽然c 0 2 分子产生的跃迁很多，但最强的有两条，波长在1 0 6 岬和9 6 “m ，目前常见 的c 0 2 激光器波长在1 0 6 岬属于中红外频段，符合项目设计需求。选用的激光管如图 3 一 第2 章s f 6 气体特性分析 2 3 所示。 图2 - 2c o = 激光能级图 f i g2 2c 0 2e n e r g yl e v e ld i a g r a m s 图2 - 3c 0 2 激光器实物图 f i g2 3c 0 2l a s e rt u b e 图2 4i p 2 2 0 型激光功率探测器 f i g 2 4i p - 2 2 0l a s e rp o w e rd e t e c t o r 2 3 本章小结 根据s f 6 气体的吸收光谱特性以及c o e 激光的波长特性，选用1 0 6 u m 的c 0 2 激光 器可以作为检测s f 6 气体的光源。选用的探测器为：i p 2 2 0 型激光功率计探头( 北京物 科光电技术有限公司，最大可测功率：1 0 w ) ，如图2 - 4 所示。 4 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 第3 章s f 6 光学检漏系统设计方案 。按照项目要求，系统必须包含室内检测系统，室外显示系统以及远程监控系统。本 章将根据需求进行系统总体框架设计，并介绍各个模块的组成及主要功能，并对项目采 用的协议设计进行分析。 3 1 总体设计 如图3 1 所示系统由两大部分组成，分别为远程监控中心和现场监控系统。远程监 控中心是指电力管理部门，远程监控中心对其下属的各个变电站信息实行远程监控，实 现管理部门统一监视、管理各点变电站的中心管理系统：现场监控系统是分布于各变电 站内的现场系统，主要实现现场环境参数实时检测、预警、控制等操作。整机系统分布 如图3 2 所示，光学分析系统工作流程如图3 3 所示。 图3 1 系统框架 f i g 3 1s y s t e mf r a m e w o r k 第3 章s f 6 光学检漏系统设计方案 厂一室内t 室外 图3 - 2 系统机构分布 f i g 3 2s y s t e md i s t r i b u t i o n 卜采样点l气食数 显 路学据 不 及 控 分 八 采 、 士 制析 v集v l 系系系 控 - 采样点n 统 统 统 系 u 统 图3 3 检测工作流程 f i g 3 3d e c t e c tw o r k f l o w 远程监控中心通过内部以太网和现场监控系统的服务器进行通信，现场监控系统数 据搞过r s - 4 8 5 总线将数据上传到监控中心的数据服务器，远程监控中心的w e b 服务 6 f 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 器从数据服务器提取数据予以展示，远程客户端的指令通过w e b 站点下发给数据服务 器，数据服务器主动将操作指令通过4 8 5 总线传递给现场监控系统。远程监控中心软件 使用n e t 和s q l 数据库技术进行开发，用户界面良好，可靠性高。远程监控中心软件可 以实现现场无人值守，降低管理费用并提高管理效率。 现场终端系统主要由现场数据控制中心、用户交互设备( 以下简称u i ，u s e r i n t e r f a c e ) 、光机电控制系统、光学分析系统以及s f 6 气体采集和衍生物采集点组成，针 对变电站内监测对像的不同采集器又分为s f 6 采集终端、0 2 采集终端、h 2 s 采集终端以 及温度湿度采集终端。 ， 3 2 现场数据控制中心 现场数据控制中心的框图如图3 4 所示，实现现场控制指令下发、现场数据采集、 分析、保存的功能。现场数据控制中心实时采集现场r t u 的各种传感数据并观察r t u 的运行状态。它能综合智能分析多种现场传感量，对现场环境情况进行判定，及时对异 常情况进行声光报警。有异常还会自动通知上位计算机，采取启动风机设备等来预防人 员窒息事故。设备对历史数据和报警数据进行保存，接收并执行u i 或p c 机发送的各 种指令。现场数据控制中心采用资源较为丰富的a r m 7 内核的嵌入式芯片l p c 2 3 7 8 作 为主控芯片【2 l 】，软件上采用l ac o s i i 实时多任务嵌入式操作系统，设计中注重系统可 靠性和实时性设计。 a r m 匹匦h l 叵引 臣叵h ； 匠h 一 图3 - 4 现场数据控制中心框图 f i g 3 4f r a m e w o r ko f d a t ac o n t r o lc e n t e r 3 3 用户交互设备u i u i 系统与现场数据控制中心连接形式，如图3 5 所示，选用北京迪文科技的 d m t 8 0 6 0 0 s 0 8 00 1 w 开发，提供8 0 英寸，8 0 0 * 6 0 0 图形点阵，6 5 k 色的触摸交互。 d m t 8 0 6 0 0 s 0 8 00 1 w 对外提供了u s b 和串口两种模式的数据交换方式，考虑到实际使 用中可能采用的一主多从的i j i 系统和现场数据控制中心连接的模式，本设计中使用串 口数据交换模式。u i 是用户进行系统操作的主要接口，良好的用户交互界面是产品重 要的指标，是理想的用户交互平台。 7 第3 章s f 6 光学检漏系统设计方案 厂、厂、 一 电源 现场数据 d r r ：4 8 5 总线) 控制中心 1y 8 0 6 0 0 3 4 光机电控制系统 图3 5u i 和系统连接框图 f i g 3 5c o n n e c t i o no f u ia n ds y s t e m 光机电控制系统的结构如图3 - 6 所示，主要安放于开关室内部，通过r s 4 8 5 总线接 收来至于现场控制中心的控制指令实现气泵、气阀、水泵、激光以及风机的控制过程。 该系统采用闭环控制工作方式，系统得到现场控制中心的指令后接收各被控终端的 工作状态信息，主动调整控制状态协调各子系统的工作。各子系统设计中采用了独立的 保护措施，保证子系统运行正常，如：激光系统工作受水泵工作状态以及温度传感器的 控制，水泵不工作或者温度超过设定的阈值，激光系统进入自动保护模式停止工作。 图3 石光机电控制系统系统框架 f i g 3 6f r a m e w o r ko f o p t o e l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n t r o lc e n t e r s 3 5s f 6 气体光学分析系统 本系统是一个带有气室的光学分析系统，当气泵把待测气体抽入气室混合均匀后， 启动激光器开始测量。当在测量中，p i cm c u 根据激光分析室的温度传感器判断激光 器的工作状态；根据水位传感器判别冷却水状态；根据功率计的输出得出测量结果。这 些数据汇总后通过r s 4 8 5 接口向控制中心发送。s f 6 气体光学分析系统控制模块结构如 图3 7 所示。 8 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 激光管温度传感器 水位传感器 功率计输出电压 冷却系统 p i c m c u 电源适配器 i d 设置 串口通讯 光敏检测 图3 7 光学分析系统控制模块框架 f i g 3 7f r a m e w o r k o fo p t i c a la n a l y s i ss y s t e mc o n t r o lm o d u l e 3 6 采集终端 采集终端主要实现各种环境参数的采集是电力开关室安全检测的重要参数传感设 备，该终端主要进行氧气浓度、湿度浓度、s 0 2 气体浓度和h 2 s 气体浓度等环境参数的 测量。 采集终端的系统结构框图如图3 - 8 所示，采用p i c l 8 l f 4 5 8 0 【2 2 】为主控制器。氧气变 送器、湿度传感器、s 0 2 气体变送器和h 2 s 气体变送器是由相应传感器及信号调理器组 成，将浓度转换成电压输出；通信模块是用于与数据集中器进行通讯。 图3 8s f 6 环境参数采集终端的系统框图 f i g 3 8f r a m e w o r k o fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sc o l l e c t i o nt e r m i n a l 3 7 本章小结 本章主要介绍了系统构成的各模块，包括数据集中器、用户交互设备、感传器终端 等模块，分析了它们的各自的功能以及组成。 9 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 第4 章通讯协议设计 通讯协议和数据库结构都是影响整个系统性能的重要元素，是项目开发的基本依 据。良好的通讯协议是整个系统能够正常、可靠、协调工作的最基本保证，是各个子系 统设计所必须遵从的规范，通讯协议的设计是联系系统设计各个环节的主要手段，它同 时影响到整个系统的运行质量。 在本课题中，数据服务器和现场控制中心，现场控制中心与各被控模块均采用4 8 5 总线进行通讯田l 。远程监控中心通过标准的h t t p 协议实现对数据服务器数据的查阅以 及指令的下发。 如图3 1 所示，在本系统中现场数据控制中心连接着p c 和被控终端，隔离了两个 不同子系统的通讯，为了便于两个子系统独立工作，现场数据控制中心包含了两个独立 ，的串口通讯模块分别采用不同的通讯协议和上位机以及被控终端交换数据。对于上位机 而言，现场数据控制中心作为从机采用被动应答模式；对于被控终端而言，现场数据控 制中心采用自动询问模式。系统的r s 4 8 5 通讯波特率为：9 6 0 0 ，无奇偶校验，停止位 为1 位。协议中的所有数据均为a s c i i 码。通信数据帧总长度不能超过1 4 0 个字节，过 长的实际包采用分包发送。 4 1 现场数据控制中心和被控终端交换协议 该协议基本通信数据帧格式如下： 各部分分解说明如表4 1 所示： 名称类型长度描述 起始符定位指令有效位置。在进行多机通讯 ， 时，为防止突然性的数据坏包引起的数据不 起始符字符 ， j l同步问题，从而造成整个网络的通讯故障， 采用起始符具有重新定义功能。一 ，“ 一 ， ， 本协议起始符采用固定字符“：” 一：= = ? ， 地址域字符 2 即被控终端编号，o o h - - f f h 为有效的地址 功能域十六进制整数 2描述指令的任务，详见后文具体协议说明。 ，i 、! 、， ，： 、 。 ，0 0 h - f f h 为有效的功能码。 一 。， 卜；7 1 、? 。 例如：功能码为6 c h ，则写为“6 c t 。一 数据域 2 謇n协议传送的数据 。一 校验域十六进制整数 2 接收方根据校验域判断数据是否完整有效! ：一： 。一 ，- t ： ；1 采用两个a s c i i 字符代表一个十未进制数；： l 、： 起始符和结束符之间所有字符的十六进制和 ：、一 ：j 71 0 x e a 异或值 1、。一 t 。?，：上! ，。 1 0 第4 章通讯协议设计 i 结束符，i 字符l l l 固定为幸( 十六进制值为2 a h ) 1 表4 1 现场数据控制中心和被控终端交换协议描述 ：t a b l e4 1t h ed a t ae x c h a n g ep r o t o c o lo f t h ed a t ac o n t r o lc e n t e rs c e n ea n dt h et e r m i n a l 遵循现场控制中心与各模块通讯协议定义该协议，根据系统设计需求对该协议的的 基本功能码定义如表4 2 所示 功能码功能说明 2 1 h 、 t 模块通讯自检 - 。 ， ：2 2 h， ：， ；j ? 。一 气泵指令一 ，。2 3 h。气阀指令 ： 2 4 h + ：- 激光管指令 一 2 5 h ，一 r 自动风机指令 。，： 。 ：，一 2 6 h 一。， 。，复位指令。 i 。j 。、 2 7 h。， 。!数据读取 。一2 8 h 。：； ；o 一，状态读取。，一一，；： 表4 2 现场数据控制中心和被控终端交换协议功能描述 t a b l e4 2t h ef u n c t i o ns c r i p to f t h ed a t ae x c h a n g ep r o t o c o l 对现场控制中心与各模块通讯协议的地址具体说明如表4 3 所示 模块，地址配置 备注 u i 一， j 1 0 x a 0 一， ： 默认地址j ：i t 5 。7 ，- ，i ： ，控制接口模块0 x b 0 ：默认地址。 ： ， l ： 一：1 ： s 1 一 氧温湿度传感0 x c 0 ：一，：一拨码开关可设0 x c 0 0 x e f ，0 x c l - 0 x e f 作为预留， ，器模块如果没有焊接拨码开关，默认地址为0 x c 0 。 ：气阀模块 ，0 x e 0 0 x e f 可扩展1 6 个模块，每个模块8 个通道。模块地 ：； 。 ， ；， ； 址应按低至高( o f ) 顺序设置，默认最后一个 ：。： j ，1 ，： 一? ，。! j，“一，一 ，j一 通道为0 点定标： ，1o ： 。一n 0 ： “j ：j 1 ，；j 一一7 ：。 ， 一 _1 t f 0 x f e ? 。? ：? 广播地址；u i 发送复位指令。j 一一_ ： 一 ，；- t ：。： 二 - t l ： 。- 。，! 表4 3 地址资源描述 t a b l e4 3t h e s c r i p to ft h ea d d r e s sr e $ o u r s e 根据现场数据控制中心和被控终端交换协议的基本设计，按照系统需求对项目中对 各指令的详细设计分解为：模块通讯自检协议( 2 l 均；气泵操控协议( 2 2 h ) ；气阀操控协 议( 2 3 h ) ：激光分析系统控制协议( 2 4 功；自动风机操控协议( 2 5 h ) ；各模块复位协议( 2 6 均： 测量数据读取协议( 2 7 h ) ：模块状态读取协议( 2 8 h ) 。具体协议设计见附录l 4 2 现场数据控制中心和上位机数据交换协议 根据实际设计需求，上位机对现场控制主要以获取数据为主，并涵盖简单的系统设 置功能，为达到简化上位机功能的目的，另外设计上位机通讯协议格式，该协议基本通 信数据帧格式为： 1 1 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 群 ，【地址】， 子功能码】：【数据1 1 ，数据1 2 】 功能码：【数据2 1 】 功能码n ：【数据n 1 n n 】幸) 系统功能码定义如表4 功能码 子功能码 功能说明 j i h o s 1 7 ：s设置指定d i 的六路定时风机： ：。 ， ： 毛读取指定d i 的数据信息，信息内 - 1 ：； 10 ：“， ：r 容根据情况会返回n o w ，h i s ， ! o ，0 “。一0 j0 - 0 ，” j： w a n ，。f a n , 。n o t ，s e t , e n dj ： 。 ” 二” 信息。一一r c 7 取消系统报警。、 一 f风机控制： ：7n o wi ：o ，无。：17 、：返回当前数据。： ! ： ， 一 h i s ， i 无；一，：，返回历史数据”j + ，。w a n ， ：；无 。i ，返回报警数据， 。；：+ ： 。：，j ：刚- 4 。7 无 _ 、，返回风机记录o i ；。f ： ：n o t ： 无，；返回异常记录t ”。j ： ； s e t ： 无?。：。j i 返回设置状态：i 一； ，i ，e n d ：o 手 了；：数据结束标记。o ，一 ：，u ； 表4 4 现场数据控制中心和上位机数据交换协议功能描述 协议详细设计见附录1 4 3 本章小结 本章介绍s f 6 光学检漏系统设计的通讯协议，通讯协议是影响整个系统性能的重要 元素，是项目开发的基本依据。本项目在设计的通讯协议基础上分解主机、终端等各子 系统分步设计实现。 1 2 福建师范大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 5 1 数据结构设计 第5 章数据结构设计 数据结构设计是底层系统设计中一个重要的工作，片上微机系统由于资源有限，不 能像普通p c 一样可以定义大量的数据，合理的数据结构设计将对系统的工程化设计有 着重要的意义。在本系统中主要对系统的当前系统配置、当前系统状态、当前数据、历 史数据、异常数据、风机数据结构这六个主要的相关数据结构进行定义。 考虑到系统公用关系，在系统的公用函数中以如下形式定义当前系统配置、当前系 统状态、当前数据的对应变量： e x t n t _ s y ss y s ；当前系统配置 e x tn td a t an o w ； 当前数据 e x t n ts t a s t a ；当前系统状态 历史数据、异常数据、风机数据定义的变量保存于f l a s h 中称为系统历史记录。 5 1 1 当前系统配置数据结构 当前系统配置数据结构是对s f 6 检测系统的配置数据实现存储定义。系统运行过程 中根据该定义提取参量，如：通道数设置影响到采集时轮询的通道个数；s f 6 上限则作 为系统检测时报警点等等。具体数据结构定义如下： # d e f i n em a xc h a n1 6 最大气阀模块 t y p e d e fs t r u c tn t