基于移动互联网的电缆沟状态监测系统研究与应用

韩 钊，散齐国，周霖轩，黎 平

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西宜春 330603）

我国城市化进程逐步推进，架空输电已不能满足城市输电的需要，高压输电线路对高层建筑居民安全构成威胁，影响城市的美观[1]。地下电缆传输周围环境条件会影响电力传输，线缆沟易积水、潮湿，长时间浸入水中或在湿度过大的环境下使用的高压电缆[2]易折断线缆头部，长期对居民的人身安全构成威胁。靠人逐条检查电缆沟，检查工作难度大、实时性差、效率低，不能及时发现问题[3]。利用GPRS 网络进行电缆沟环境状态远程监测，以GPRS技术为数据传输介质，并可接入互联网。尽管该系统具有很强的实时监测能力，但由于其周围环境的影响，监测效果仍不理想[4]。为此，对移动互联网电缆沟状态监测系统进行了研究和应用，以求有效、积极地推动其健康有序发展。对基于物联网的电缆沟智能监控技术进行了介绍，并对其关键技术特点和应用前景进行了阐述。经实践检验，该技术可实现电缆沟环境及电缆线运行状态的实时监测与在线分析，能够有效地预防和控制电缆沟的安全事故，发挥良好的预警功能，对提高电网供电可靠性具有重要意义[5-7]。

1 系统总体方案设计

电缆沟环境状态远程监测本系统对不同地理位置的电缆进行环境监测，实时掌握电缆状况。对电缆沟中的异常现象能及时、快速地进行处理[8-10]。图1 为系统的总体结构。

图1 系统总体方案设计

该系统主要包括以下几层：数据采集层、数据网络传输层、数据管理层和电力供应层。伴随着城市电网接线率的不断提高，电缆沟管理与维护问题日益突出[11]。

感应器检测外部环境状态，将电缆沟中温度、湿度、易燃气体浓度、液位等环境状态的物理量转换成4～20 mA 的模拟量。在模拟量采集模块中，对多个传感器输出的模拟信号进行数据调理电路处理，然后根据RS-485 网络信号进行输出[12]。

模拟量采集模块包括多种数据采集通道，对传感器输出的模拟量进行采集[13]。模拟采集模块内嵌了标准MODBUS 协议，便于扩展模块到RS-485 总线和多个模拟采集模块RS-485 接口并行连接到RS-485 总线上。

2 系统硬件结构

在电缆沟环境变化时，能根据环境变化及时启动受控设备。现场环境的变化将实时通知维修人员，以方便维修人员使用。为发生事故做好准备，从而及时排除故障[14-15]。图2 为系统硬件结构。

图2 系统硬件结构

控制系统及人机接口主要完成数据采集处理及图形显示，该控制器以PLC 逻辑控制器为核心，在工业控制领域得到广泛应用。就实际应用而言，可处理多个连续的变换量，通过多次下载、擦除、写入程序，对采集层采集的数据进行处理，该控制器根据程序中设定的控制逻辑输出控制信号，以实现对被控设备的控制。

2.1 传感器选型

1）温度与湿度监测

电缆沟温湿度检测采用北京兴义传感科技有限公司生产的CWS16 型温湿变送器。CWS16 型温湿度传感器是用于工业生产中温湿度检测的传感器，能同时检测湿度、温度，并输出信号[16]。

2）可燃气体浓度监测

导致爆炸的原因是电缆沟内沼气积聚，沼气浓度增高所致，当混合空气浓度达到爆炸极限浓度后，就会发生爆炸。出现爆炸的气体主要为沼气，其成分为甲烷，因此，检测结果为甲烷。

3）液位监测

选用CYW11 通用型液位计，采用差压原理，实现了CYW11 通用输入变送器的液位检测。当传感器被放置到需要测量的液体深度时，传感器的探针接收到液体的表面压力值，管道向变送器正压室注入接收到的压力，在液面上的气压与变送器的负压室相连，通过负压室所受压力来测量液面的高度。

感应器输出电流信号和模块接线如图3 所示。

将采集到的信号转换为RS-485 网络信号形式，该模块包含多个独立配置频道，每个频道都支持信号输入，基本覆盖了传感器输出的各种信号。需要采集电流时，只需打开ADAM-4117 模块盖并设置跳线，使用十分方便。

图3 传感器输出电流信号与模块接线

2.2 RS-485总线网络

RS-485总线克服了RS-232总线传输距离短、速度慢的缺点，可使传输速率提高至10 Mbps。在此基础上，采用了RS-485总线主从式移动互联网。

ADAM-4117 模块完成模拟采集、A/D 转换等功能，并在各采集通道上实现RS-485 信号输出的隔离。不同模块都包含了不同地址，且不同传感器中都具有多条数据采集通道。RS-485 串行总线通过将采集到的数据转化为网络数据，实现数据的远程传输。

3 系统软件功能

软件设计是整个监控系统的重要组成部分，是实现人机交互的一个重要窗口。该系统接收、储存、分析和管理不同地点电缆沟收集到的环境数据。在配置网络软件的基础上，设计开发了电缆沟环境远程监测系统的软件部分。选型完成后，需要设计控制程序，实现控制功能，主要根据各功能模块进行程序设计。

3.1 气体监测程序流程

图4 为气体监控程序的流程，在程序启动运行后，首先采集需要的信号，主要有变频信号、风机状态信号、气体检测信号。执行计划的过程中，首先监视每个信号灯。若有信号，表示系统工作正常；无信号时，人机界面上相应的指示灯提示工作人员及时对故障部件进行检修。

3.2 温度监测程序流程设计

分析电缆沟会出现火灾的具体原因，并在发生火灾时检测出现的危险信号，由此获取的危险信号为火灾前电缆沟温度模拟信号和烟气模拟信号。在电缆沟中，由于传输功率较大，电缆沟中的温度信号往往大于零，实现人机界面显示。

3.3 液位监测程序流程设计

图4 气体监测程序流程

液位监测主要是实现电缆沟排水系统的智能化功能，包括信号采集、故障报警、信号识别、水泵启动和停止。由于电缆沟的原因，在采集水位信号时水渠被监测，因此水渠中的水低于某一值，即电缆不浸没时，水泵不启动。因此，在程序执行过程中，就可以实时监测储存的液位信号寄存器。在记录中无数值时，可将其视为水位传感器故障。采用信号处理的方法，主要是通过比较液位计的安全水位来控制泵的启动与停止。

4 设备现场调试

为了验证基于移动因特网的电缆沟状态监测系统的应用原理、性能指标及安装质量，进行现场调试，设备调试期、操作人员的人身安全和生产效率直接影响着调试工作的效率。

4.1 实时数据显示

设计出的实时数据显示功能主要分为两部分，一个是直接将监测数据值显示在屏幕上，另一个是通过趋势曲线实时显示。将网络配置为查看模式后，进入界面。通过下拉菜单或按钮可选择电缆沟监控画面和电缆沟曲线画面。在屏幕上进行查询，使系统可以动态显示实时数据，如图5 所示。

4.2 气体监测结果分析

为了调试方便，风机放置在调试场地的电缆通道中，空间较大，将电扇连接在一起并固定好。风扇送风安装完成后，用手持风扇对传感器采集量进行校准。图6 显示了使用不同系统的监视结果。

图5 电缆沟实时监测画面

图6 不同系统气体监测结果分析

由图6 可知，使用人工监测方法监测到的气体浓度最小为2.2%，最大为2.65%，与实际值偏差较大。使用基于GPRS 网络监测到的气体浓度与实际值偏差也相对较大，而使用基于移动互联网监测结果较为精准。

4.3 温度监测结果分析

报警温度是在温度监测和火警模块试验之前设定的。在同一封闭空间内放置标准温度计和温度传感器，以调节封闭空间的温度。表1 显示了使用不同系统的监视结果。

表1 不同系统温度监测结果分析

使用人工监测和基于GPRS 网络监测方法温度监测结果与实际结果存在一定偏差，尤其是人工监测方法误差较大，最大误差为7.5 ℃；使用基于移动互联网监测系统在标准值27.5 ℃附近波动，误差较小，甚至可以忽略不计。

4.4 液位监测结果分析

在现场安装了液面监测传感器和水池排水泵，并通过监测水位来实现程序设定的排水功能。图7显示了使用不同系统的监视结果。

图7 不同系统液位监测结果分析

由图7 可知，使用基于移动互联网液位监测结果较为精准，而使用其余两种方法监测结果不精准，尤其是人工监测方法出现液位差较大，这种结果容易给系统造成一定假象，甚至出现安全事故问题。

5 结束语

移动式网络电缆沟状态监测系统采用多种先进技术，是一个技术研究项目。该系统充分考虑了对安全性、可靠性的要求，各项技术指标达到了预期要求，本系统研制成功，运行稳定。该系统的建立是为了及时监测和处理移动互联网上的恶意程序，并结合有关部门发现的恶意代码等数据，不断完善系统功能，进一步遏制移动互联网上恶意程序的蔓延。

在监测系统的设计与调试方面，还存在一些不足，例如图案缺乏立体感。组态网动画效果的更多功能可在以后的开发工作中结合使用，需要进一步改进。