基于GSM的SF6在线净化装置远程操作控制系统研究

周斌 袁镜江 吴树平 王文献 蔡宝龙

摘  要：针对传统远程控制系统存在控制延迟时间长，无法满足对温室气体SF6控制的时效性需要的问题，开展SF6在线净化装置远程操作控制系统研究。通过基于GSM的数据收发装置、远程控制装置等硬件结构设计，和基于GSM的SF6在线净化装置现场数据传输、可视化远程控制设计，完成远程操作控制系统设计。通过实验证明，该系统与传统控制系统相比可有效缩短延迟时间，更加及时地对SF6气体进行净化处理。

关键词：GSM  SF6在线净化装置  远程操作  系统研究

中图分类号：TP319                           文献标识码：A                   文章编号：1672-3791（2020）10（a）-0026-04

Abstract： In view of the problem that the traditional remote-control system has a long control delay time， which cannot meet the timeliness requirements of greenhouse gas SF6 control， the remote operation control system of SF6 online purification device was studied. Through the hardware structure design of GSM based data transceiver device and remote-control device， and the design of SF6 online purification device field data transmission and visual remote control based on GSM， the design of remote operation control system is completed. The experimental results show that compared with the traditional control system， the system can effectively shorten the delay time and purify SF6 gas timelier.

Key Words： GSM; SF6 online purification device; Remote operation; System study

在有触电的电气设备中，触头接通或断开电流的过程中常常会造成电弧的产生和熄灭，而电弧是一种气体放电的现象，会对设备会造成一定的损害[1]。SF6是一种灭弧性良好的气体，因此被广泛应用于电气设备的保护气体。但同时SF6气体也是常见六种温室气体之一，对生态环境造成一定的威胁，因此为了进一步制止SF6气体的直接排放，为环境保护提供条件，并在一定程度上促进电气设备的安全运行，开展对SF6气体的回收、净化处理及再利用研究十分重要。伴随着国家对于影响环境的温室气体排放力度不断加强，以及电网相关企业对SF6气体排放、回收、净化处理的循环再利用工作的高度重视，使得当前集控型的SF6气体在线净化处理装置的数量的不断增加。当前大部分SF6在线净化装置内部都是通过布设压力容器以及相关带压管路实现对SF6气体的净化功能，当操作人员出现操作错误时，可能会对其人身安全造成危害，因此有关部门对于该装置的运行稳定性提出了更高的要求[2]。综合上述问题，该文结合全球移动通信技术GSM，提出一种有关SF6在线净化装置远程操作控制系统，通过控制系统实现对SF6在线净化装置的远程操作，保障操作人员的人身安全。

1  系统硬件设计

1.1 基于GSM的数据收发装置

该文系统中的数据收发装置采用核心为全球移动通信系统模块的数据收发器，采用西门子公司生产的TC35i双频900/1800MHz高度集成的GSM模塊，该模块具备与其他同等类型更加强大的功能，通过该模块可实现对SF6气体在线净化装置的远程语音传输、数据传输等功能，并且该装置已经获得了国家通信入网的许可。其次，数据收发装置上还包括GSM系统的移动用户所持有的IC卡、接口电路、天线等硬件结构[3]。通过基于GSM的数据收发装置，系统用户可通过PC机配置模块，在SF6在线净化装置不同的工作状态下进行随意的切换，在GSM模式下，路由模块具有自动路由的功能，用户可通过多模块组合的方式，形成无盲区无距离限制的组网传输。用户还可通过PC软件或串口指令对无线数据进行AES128加密，使数据传输更为安全。数据收发电路如图1所示。

1.2 远程控制装置

该文系统中使用的控制中心计算机设备，采用的是常用PC机设备，与上文中的数据收发装置相互连接，主要运行原理是通过转换芯片Xl 4001将逻辑门电路中的电平转换为穿行通信接口标准电平，再与计算机的串口相互连接。远程控制装置主要是由基于ARM内核的32位微控制装置、微处理装置组成的78B41单片机，以及LED数码管、键盘、4个发光二极管等相关元件组成。采用的控制器型号为SPC-STW-2612CMS移动控制器，是德国STW与硕博电子联合开发的一款经济型移动控制器，控制器核心为AT78B41单片机[4]。SPC-STW-2612CMS型号控制器具备3路CAN总线，1路RS232串口通信，26路IO资源，端口高度复用，输入端口可采集高低电平、电压、电流、脉冲等信号，同时端口还复用输出资源，输出为DO，3A，可直接驱动电磁阀，还具备12路PWM及2路H桥功能。SPC-STW-2612CMS型号控制器与其他相同类型控制器相比，具有高防护等级、小体积、高集成度、高响应速度等优点，因此更加适用于该文基于GSM的SF6在线净化装置远程操作控制系统。

2  系统软件设计

2.1 SF6在线净化装置现场数据传输

SF6在线净化装置现场数据传输主要通过上位机及网络云台构成的数据传输通道对现场数据进行采集和传输。首先由上位机通过互联网实现与网络云台的通信，对SF6在线净化装置产生的相应数据信息进行读取和存储，数据信息包括装置内部的温度、压力、SF6气体浓度等。通过远程控制平台还需要对装置运行过程中的状态以及周围环境参数进行控制，根据不同的状态及环境参数，对装置下达SF6气体处理、尾气处理、充氮再生以及抽真空等控制指令。

利用GSM系统中的PLC、CPRS无线传感以及SF6气体在线净化装置现场4个拐角上方的无线网络摄像机装置，通过无线网络摄像机点对接的方式，自动匹配和无线直接，通过网络接口处连接的路由器自动将现场采集到的视频数据传输到网络控制云台当中[5]。通过可控制逻辑控制器连接故障预警模块，将输出端与排风设备的控制端相连，并经过通用分组无线服务与网络控制云台连接，自动将SF6气体净化装置现场的温度、压力等数据发送到网络控制云台当中，实现对SF6在线净化装置现场数据传输。

2.2 可视化远程控制

可视化远程控制以单片机作为控制核心，通过GSM控制模块接收到的数据信息，利用外部中断检测数据信息的输入。将当前被控制的SF6在线净化装置状态返回到网络控制云台中，通过发光二极管实现对装置控制的可视化。通过单片机程序流程对发光二极管点阵动态显示接受信息，具体单片机程序可视化远程控制流程如图2所示。

第一步，开始中断SF6在线净化装置处理程序对可视化远程控制模块进行初始化。第二步，设置异步串口通信方式，设置波特率为7200bps，无检验位，6个数据位，接收模塊将传输的数据信息返回。第三步，根据传输数据向单片机发送正确的AT读指令，并检验发送是否成功，单片机端设置键盘元件，用于输入发送的数据信息。第四步，系统接收返回信息，采用终端方式检验是否有信息传输，并判断数据的安全性，若数据正确，则判断该数据为信息类型，并由模块将单片机信息的不同头信息返回，以一个ok结束，对提取的信息进行不同处理。若数据属于下传数据，则再将其利用LED数码管显示控制信息，LED数码管娴熟的是从键盘输入到发送的数据，以及接收到的SF6在线净化装置实施运行数据，清空接收缓冲区。第五步，中断返回，结束控制。

3  实验论证分析

为了进一步验证基于GSM的SF6在线净化装置远程操作控制系统，在实际运行过程中是否可以正常运转以及检测系统的相关技术参数。将该文系统与传统控制系统进行对比，比较两种系统在实际运行过程中的性能。采用同一厂家生产的2台规格、性能均相同的SF6净化装置，分别利用该文控制系统与传统控制系统对该装置进行控制，并将其设为实验组和对照组，进行5次对比实验，并设定装置在完成控制时应达到的相关要求，比较两组对装置的控制延迟时间，表1为实验组与对照组控制延迟结果。

根据表1中的实验结果可以看出，实验组与对照组在对同一台装置进行5次控制实验，对照组延迟时间与实验组的延迟时间差即为延迟差，控制延迟时间差在8.88～11.51s不等。通过5组实验数据看出，实验组的延迟时间明显比对照组延迟时间更短，在对装置进行5次不同控制时，实验组的控制延迟时间相差较小，而对照组的延时时间相差较大。经计算，5组控制实验中实验组相比对照组提升效率均在44%以上。因此，通过对比实验证明，该文提出的基于GSM的SF6在线净化装置远程操作控制系统在实际运行过程中延迟时间更短，且不同控制效果对延迟时间的影响不大，因此不易受到外界环境因素的影响。

4  结语

该文提出的基于GSM的SF6在线净化装置远程操作控制系统借助于控制中心及远端控制器的GSM模块，对SF6在线净化装置进行远程控制，该系统的设计原理不仅可以应用于SF6气体的净化装置，还可将其广泛应用于工业、农业、交通等多个领域用于对远程数据的传输和可视化控制。

参考文献

[1] 郑乾，李馥安，武超，等.基于STC89C51单片机和GSM的汽车防盗系统设计[J].河北北方学院学报：自然科学版，2019，35（5）：36-41，45.

[2] 胡金良，李志成，张翠侠.基于STC89C52单片机和GSM的厨房安全监测系统设计[J].河北北方学院学报：自然科学版，2018，34（5）：12-16，23.

[3] 冯灵云，樊晶光，张岩松，等.制药工艺人工投料工序高危药物粉尘控制与净化装置研制[J].暖通空调，2019，49（6）：17-21.

[4] 张擎红.CTCS-3级列车运行控制系统对GSM-R网络主要需求的探讨[J].铁路通信信号工程技术，2020，17（3）：72-76.

[5] 罗银飞，王志明，赵振，等.基于PLC的泥浆循环净化装置控制系统设计与实现[J].金属矿山，2019，17（11）：169-175.

[6] 钟世强，范明豪，祁炯，等.新型SF6气体净化处理系统吸附剂在线再生装置[J].电工技术，2018（19）：61-62，65.