机柜智能综合防护预警监测装置及系统设计

张 昊，安 杰

（天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津300060）

随着工业生产自动化的进一步发展，电气设备在工业中的地位越来越重要，所占的比重越来越大，工业电气柜用于承载各种电气设备，在工业中有着重要的使用，主要广泛应用于化工行业、环保行业、电力系统、冶金系统、工业、核电行业、消防安全监控、交通行业等。为保证电气柜及设备的正常运行，就需要研发一种集柜内状态异常监测（燃烧预警）、柜内空气环境监测、SPD（防雷器）监测、防盗监测、除湿及加温功能于一体的工业机柜电气设备防护预警监测装置，并且该装置通过有效监测手段实现预警的预知性和准确性。

由于电气柜内线缆及设备材料外皮多采用低烟无卤及FEP 材料，低烟无卤材料当发生燃烧时没有浓烟产生，FEP 具有很强的防火性，在燃烧冒烟分解之前可以耐受高达800 ℃以上的温度，比通常无卤缆最高可耐受150 ℃的温度要高数倍，因此很难通过常规的火灾报警装置实现对柜内设备进行提前预警[1]。

现有电气柜设备故障及火灾隐患判定方法基本采用温度监测、以及烟雾报警器监测的方式，只有当柜内设备及线缆燃烧后产生高温及烟雾后才能获取报警信息，该方法技术单一，报警的同时已经产生较大经济损失。

1 系统概述

机柜智能综合防护预警监测装置是运用先进的计算机技术、电子技术、通讯技术、网络技术、地理信息技术及数据库技术和自动在线检测技术，设计开发了集实时性、智能化、网络化、系统化于一体的新型多功能电气柜防护预警集成装置，该装置实现了对电气设备运行环境温湿度、CO2、PM10 及TVOC 预警、SPD 状态预警、机柜开闭门状态等多种环境信息实时监测预警及远传，同时还具备柜体除凝露、低温加热、联动除尘装置的功能，该系统能有效降低设备运行中的故障概率，消除事故隐患保证设备的安全可靠运行[2]。

本装置核心技术是通过TVOC 及CO2监测，然后根据电气柜内设备及线缆高温或燃烧后产生的总挥发性有机物的数据分析实现对设备异常状态及火灾的提前预警，填补了国内外空白。

2 机柜智能综合防护预警监测装置

装置组成包括装置外壳、除湿装置（半导体制冷芯片、风扇及铝制散热片、排水管）、加热芯片、电源模块、MCU 控制电路模块、显示及键盘模块、温湿度传感器、CO2传感器、PM10 传感器、TVOC 传感器、机柜门开闭传感器、加热器、半导体制冷除湿器、SPD 监测单元、433 MHz 无线模块及电线[3]，如图1所示。

图1 装置组成图Fig.1 Device composition diagram

3 智能综合防护预警监测装置工作原理

MCU 控制电路通过温湿度传感器采集环境数据，并将其与设置的湿度阈值进行比对，超过阈值即启动除湿，低于阈值则停止除湿；当温度低于设置的温度阈值启动加热器，高于阈值则停止加热器[4]。

当柜内发生短路引起电气（电缆）燃烧产生烟雾，MQ-2 烟雾传感器采集烟雾数据反馈MCU 控制电路，发出报警信号；当电气电缆燃烧产生的烟雾较少也会产生刺激性气味气体引发TVOC 传感器报警[5]。

MCU 控制电路具有开关量接口，可以检测机柜门开闭传感器输出的开关量信号和SPD 的遥信口发出的热脱扣通断信号；MCU 控制电路可以通过小型互感器采集SPD 漏电流信息及浪涌信息，通过MCU 内部程序分析SPD 状态发出报警信号。

MCU 控制电路采用无线模块用于设备自动组网通讯，MCU 内程序使用MODBUS RTU 协议与系统平台通讯。

GPRS 通讯模块模块（4G RTU）内部连接无线模块，用于和机柜智能综合防护预警监测装置通讯，实现1 对多广播通讯，GPRS 模块收到系统平台发送的MODBUS TCP 协议03 命令转换成MODBUS RTU 协议广播发送其他接收装置，装置读取命令后如果设备地址符合则返回06 命令作为应答[6]。

4 机柜智能综合防护预警监测装置的主要功能

（1）可以实现机柜温湿度监测报警功能；实时采集柜内温湿度，具有温湿度控制及报警功能。

（2）机柜智能冷却除凝露功能可以解决机柜凝露问题，降低柜内湿度，达到良好除湿效果。

（3）可以实现柜内辅助加热功能；冬季或室外可以实现对柜内进行辅助加热，保证电气设备正常运行。

（4）对机柜内的防雷模块SPD 进行实时监测。

（5）根据监测机柜内线路及设备燃烧所释放的烟雾及TVOC 气体分析电气状态实现预警或报警；解决了电线燃烧，绝缘体损坏，线材实质性能下降，引起的安全事故。

（6）柜体开关门状态报警及柜体拆卸报警；根据机柜门的开闭反馈传感器实现防盗防误动的效果。

（7）各装置可以实现无线智能广播组网功能，通讯支持MODBUS TCP 协议。

（8）支持GPRS 远传，整合采集分析与GPRS/CDMA/宽带通讯传输技术为一体。

5 系统构成

机柜智能综合防护预警监测系统的组成包括防护预警监测装置、GPRS 通讯模块（4G RTU）、通讯服务器、数据库服务器、Web 服务器、路由器、交换机、大屏幕等设备，还包括机柜综合防护预警监测系统软件（BS 架构）及APP 软件，如图2所示。

图2 系统构成图Fig.2 System composition diagram

6 机柜综合防护预警监测系统软件功能

（1）软件采用B/S 结构，支持网上浏览、操作；通过中心站远程平台软件或APP 软件监测管理机柜防护装置的功能。

（2）数据实时显示（温湿度、烟雾及TVOC 报警、开关门状态、SPD 状态等）、运算、存储功能。采用图形界面，可根据用户的需要创建总貌图、流程图、趋势曲线图、报警画面，实时显示现场装置的数据。现场数据的定时存储，可根据用户的需要每间隔一定时间对现场数据进行存储。可保存10年以上的历史数据和报警信息。

（3）历史数据查询功能：形成的历史数据库可方便的进行分类查询和组合查询。

（4）自动报表生成打印功能：数据按日、月、年、任意时间段生成报表，生成曲线、对比曲线，可根据用户的具体要求打印各种报表日报、月报、数据变化曲线图等。

（5）智能化分析模块功能：系统可以根据现场采集的数据进行智能分析，为管理部门或决策者提供科学的依据。

（6）软件支持远程设置、修改现场设备的工作参数。

（7）软件支持授权管理，授予不同的使用者不同的权限。

（8）预留与其它监控系统的数据接口。

7 结语

该装置与系统的应用能满足对电气设备运行环境温湿度监控、烟雾及刺激气体报警、防雷预警、机柜开闭门状态监测等多种需求同时还具备柜体除凝露、低温加热等功能，该系统不仅能有效降低设备运行中的故障概率，消除事故隐患，保证设备的安全可靠运行，而且还能延长设备的使用寿命达10%～20%。其经济效益十分显著，该系统无论从节能环保，还是经济、社会效益的角度看，此项投资都具有长远而深刻的实际意义。