无线测温系统在电弧炉高压电气设备上的应用

张巍 俞江 赵瑞雪

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司 北京市 100070 2.常州大学微电子与控制工程学院 江苏省常州市 213167）

1 引言

目前电弧炉为代表的短流程炼钢已经成为冶金行业践行产能升级、绿色制造、节能降耗基本国策的热点[1-2]。高压开关柜、变压器、二次短网等高压电气设备的可靠运行是电炉设备的安全运行的根本保障。电气设备运行中的异常发热是导致其故障甚至发生重大事故的主要因素之一，实现电弧炉冶炼过程中重要电气设备温度数据的实时监控及报警，能有效避免此类事故突发。由于电弧炉高压电气设备分布于作业现场的不同位置，所处强电、温度、粉尘等外在环境各不相同，如何选择温度传感器及组网完成分布式数据采集等问题就显得十分重要。本系统根据不同的应用场合，采用不同类型的传感器，通过DTU 设备读取传感器数据，经泗博公司生产的网关MP-160 转换，将Modbus 协议的数据转换成Profibus DP 模式下和主控PLC 系统连接，完成各电气设备温度监控数据的采集。

2 电弧炉钢厂测温点分布及传感器的选型

2.1 测温点分布

高压开关柜用于向炉子变压器供电，柜内主要由真空断路器小车、过电压保护装置，隔离车、连接母排等设备组成[5]。在长期运行过程中，因各种原因造成触点氧化，接触电阻增大，在运行时不断发热，引起温度上升，给设备安全运行埋下了隐患。

电炉变压器是高低压换能设备，设备本体在磁场交变过程中会产生大量热能，通常用导热油循环降温，设备一般自带油温监测系统。

二次短网是冶炼电炉变压器二次侧至电极传输大电流导体，组成包括铜排、水冷电缆、软母线、硬母线等，短网组成部分的可靠连接程度直接影响其电阻大小，决定冶炼电路炉设备的电效率和功率因素等电气性能，因而对冶炼电炉的运行性能有着重要影响[3-4]。

2.2 测温传感器选型及数量

目前，工业领域中常见的测温系统有电子接触式、光纤光栅测温、声表面波测温、红外辐射测温、红外成像测温等方法[6]，受制于不同的应用场合、安装尺寸和环境条件，各有优缺点。而电弧炉炼钢电气设备种类多，分布广，不能用一种传感器就能满足各类电气设备的测温需求，所以本系统针对2.1 中4 类不同的测温点，选择不同的传感器来实施温度检测，如高压开关柜，由于其结构复杂、高电压等因素考虑用无线无源传感器，选择采用珠海泰诺公司产品，温度测量范围：-25 ℃— +125 ℃，感应取电，启动电流：≥5 A，测量精度：±1℃，无线传输频率：433 MHz；用捆绑方式安装在高压柜进出母线接头处，DTU 终端完成采集传感器数据，通过485接口处理后转成Modbus 协议数据格式，实现高压柜内共计6 个关键测点的温度监测。

图1：无线测温系统原理图

图2：PMG-123 模块现场总线配置

二次短网系统因处于高粉尘、大电流、高温的条件下，且按钢厂运行维护规范，每月均有停电维保作业时间，可以考虑采用在短网连接处安装有源电池接触式无线测温传感器，同样选择泰诺公司产品有源无线测温传感器，电池供电，使用寿命8年；用螺栓固定方式安装在变压器同名端与二次短网连接处，同样方式检测短网与水冷电缆连接处温度，DTU 终端完成采集传感器数据，通过485接口处理后转成Modbus 协议数据格式，实现二次短网共计6 个关键测点的温度监测。

电炉变压器温度监测分高压进线侧接点和由变压器本体温度监测两类。高压进线侧采用和高压柜一样的模式[7]，计3 个接点温度；变压器本体温度监测通过生产厂家自带热电偶式温度传感器，监测循环冷却油温及变压器各绕组温度，在变压器控制箱内集成有智能RTU 装置，完成温度等数据采集后以Modbus 协议数据远传。

图3：高压柜进出线侧、变压器进线侧温度监控画面图

3 电弧炉高压电气设备无线测温原理及组成

3.1 无线测温系统原理

电弧炉高压电气设备无线测温系统首先通过无线传感器检测高压电缆或母排连接点温度，然后通过无线射频技术将温度信号传到温度接收模块DTU，经485 接口Modbus 协议连接到PM-160 网关协议转换器，将数据转成Profibus DP 协议连接到主控PLC 系统，由上位机组态软件WINCC 界面上实现数据监控。

3.2 无线测温系统的组成

电弧炉高压电气温度监测系统由3 台DTU 设备，15 个无线温度传感器，1 台PM-160 网关转换器以及主站控制的PLC-S7-300 主机1 台，以及用于组态监控的上位机组成。由于PLC 和上位机还用于电弧炉其他控制，实现了无线测温系统和炉控自动化等的系统集成，完成数据共享。

3.3 无线测温系统的网络及通信实现

系统框架图如图1所示，无线温度传感器经集成无线信号接收终端的DTU 后采用RS-485 接口，Modbus 通讯协议，将采集到的数据经过网关PM-160 转换为PROFIBUS-DP 协议与PLC 进行通讯，显示在上位机控制系统界面。系统也可以通过DTU 读取变压器本体自带智能监控系统总温度的数据，一并上传到上位机。

其中PM-160 是一款实现Modbus 协议与PROFIBUS-DP 协议数据通信的智能型网关，可连接多个具有Modbus (RS485/RS/422)接口设备到PROFIBUS-DP 网络，通过PROFIBUS 通信数据区和Modbus 通信数据区的映射关系可以实现主站与从站的双向通讯。PM-160 在Modbus 端选择主站模式，在PROFIBUS-DP 侧为从站。网关配置软件PMG-123 配置需要的命令参数然后将其下载到网关中。如图2所示。

子网配置如下：协议类型：Modbus 主站模式串口波特率：9600bits/s；数据位：8；奇偶校验：无校验；停止位：所配置的参数需要与Modbus 从站一致，不能重复。

在子网下添加5 个节点，添加03、16 号命令进行数据读写，修改Modbus 寄存器起始地址和数据个数。子网下共添加读保持寄存器数据个数7 个，预置多个寄存器数据个数2 个。

配置完成后在配置模式下通过RS232 串口将配置下载到网关内，然后将网关再拨到运行模式给网关重新上电。在Step7 中使用PM-160 的GSD 文件进行组态编程，设置需要的输入输出字节块等参数，即可实现通讯。

4 无线测温的上位机组态软件实现

4.1 STEP7中组态配置

首先将PM-160 对应使用的GSD 文件成功导入Step7 中，然后进行组态。新建DP 从站地址为7。(将PM-160 数码管显示地址手动调整为7，组态软件中的PM-160 此处DP 从站地址必须与网关数码管上面显示的地址值一致)。添加8 个字的输入输出数据块后系统会自动分配DP 从站的输入、输出起始地址，与网关的输入、输出内存映射区域对应。组态时所添加的输入输出字节总数需大于等于在配置软件PMG-123 中总的字节数。PROFIBUS DP 端正常连接后，网关上面的STA 指示灯会绿灯闪烁。当串口端数据交换正常时，网关上面的串口指示灯TX、RX 灯会绿灯闪烁。此时在PLC 中可以正确看到串口端的数据变化。

4.2 无线测温系统上位机组态监控实现

在电炉自动化控制项目中采用西门子公司wincc 组态软件作为上位机监控画面，通过定义监控数据表，操作组分配表后绘制组态控制图实现对无线测温系统各测点的温度监控。如图3所示为高压柜进出线侧、变压器进线侧温度监控画面图。

5 结论

北京金自天正智能股份有限公司在电弧炉自动控制系统项目中采用无线模式下有源和无源两种不同的传感器检测电炉高压电气设备运行中实时温度值，实现对高压电气运行的全面监控，有效防止高压电气设备因温度过高引起故障，杜绝了事故的发生，取得了良好的经济效益。