數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化傳感器在工程中的應(yīng)用

一、應(yīng)用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化溫度傳感器實(shí)現(xiàn)電纜溝在線監(jiān)測

1．為什么要在線監(jiān)測電纜溝

電纜在日常生產(chǎn)、生活中隨處可見，在電場、工廠、實(shí)驗(yàn)室通常將大量的電纜集中在電纜溝中，以方便布線、維護(hù)、美觀。隨著人們對電的依賴的增長，電纜溝里的電纜越來越多，其火災(zāi)事故的發(fā)生幾率也相應(yīng)增加。

以電場為例，隨著機(jī)組容量的增大，自動(dòng)化水平相應(yīng)提高，電纜用量越來越多。一臺(tái)200MW機(jī)組，各類電纜長達(dá)200～300Km。某電廠一期工程2臺(tái)500Mw超臨界參數(shù)機(jī)組，電纜用量達(dá)3000Km。

火力發(fā)電廠一旦發(fā)生電纜火災(zāi)，將造成嚴(yán)重?fù)p失。目前在建和運(yùn)行中的火力發(fā)電廠，大多仍采用易燃電纜，因此，電纜防火問題尤為突出。

國內(nèi)，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，近20年來，我國火電廠發(fā)生電纜火災(zāi)140多次，共市1986～1992年7年間竟達(dá)75次。有24個(gè)電廠發(fā)生過兩次及以上電纜火災(zāi)事故，個(gè)別電廠達(dá)4～6次。70%以上的電纜火災(zāi)所造成的損失非常嚴(yán)重，其中2／5的火災(zāi)事故造成特大損失。1975～1985年間，因電纜著火延燃造成的重大事故發(fā)生60起，造成真接和間接損失達(dá)50多億元。山西神頭發(fā)電廠因電纜溝火災(zāi)燒損設(shè)備及搶修費(fèi)用超過千萬元。1999年牡丹江第二發(fā)電廠因電纜溝火災(zāi)，導(dǎo)致全廠停電事故，直接、間接損失達(dá)近千萬元。除了電場之外，在個(gè)大廠礦、科研機(jī)構(gòu)的機(jī)房、車間的電纜溝中同樣存在著火災(zāi)隱患。2000年北京高能物理所的正負(fù)電子對撞機(jī)監(jiān)視機(jī)房就因電纜溝起火被迫停機(jī)，嚴(yán)重影響了科研工作的進(jìn)行。

美國在1965～1975年統(tǒng)計(jì)的3285次電氣火災(zāi)事故中，電線電纜火災(zāi)事故就占30.5%，直接損失約4000萬美元。

日本曾對電力、鋼鐵、石油化學(xué)、造紙等工廠企業(yè)調(diào)查，有78%的單位發(fā)生過電纜著火，其中危害程度較大的事故占40％。

通過對電場事故的分析，引起電線溝內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的直接原因是電纜中間頭長期運(yùn)行導(dǎo)致老化、氧化，接觸電阻日益增大，造成的電纜頭過熱燒穿絕緣、最后導(dǎo)致電纜溝內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生。

例一：遼寧發(fā)電廠發(fā)生過電纜頭過熱引起火災(zāi)，當(dāng)消防人員撲滅火災(zāi)后剛要離開現(xiàn)場時(shí)電纜頭絕緣擊穿，大火復(fù)燃，當(dāng)場燒傷數(shù)人，造成群傷事故。
例二：富拉爾基電廠，試驗(yàn)人員查找電纜故障時(shí)，上午采用了電容擊穿法進(jìn)行查找，中午休息后，電纜溝內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)，造成重大事故、如配置電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)完全可以避免事故。

例三：渾江電廠＃2循環(huán)水電纜中間頭過熱，燒損該溝內(nèi)所有電纜造成被迫停機(jī)事故，據(jù)了解，上午有人在距故障電纜中間頭80多米遠(yuǎn)的豎井上已嗅到了絕緣燒焦的味道，下午七點(diǎn)鐘引發(fā)了火災(zāi)。

例四：牡丹江第二發(fā)電廠1998年6月28日，因一臺(tái)機(jī)的循環(huán)水電纜中間頭過熱引燃該電纜溝里的全部電纜，造成全廠七臺(tái)機(jī)(裝機(jī)客量103萬千瓦)被迫停機(jī)，全廠停電的惡性事故。

例五：上海供電局2001年因電纜中間頭過熱引起電纜隧道火災(zāi)，大面積電纜被燒損，導(dǎo)致市區(qū)大面積停電事故。

綜上所述，電纜溝內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生主要原因是由于動(dòng)力電纜中間頭發(fā)熱。根據(jù)多次事故分析發(fā)現(xiàn)從電纜頭過熱到事故的發(fā)生，其發(fā)展速度比較緩慢、時(shí)間較長通過電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)完全可以防止、杜絕此類事故的發(fā)生。

吉林熱電廠多年前就總結(jié)出這一經(jīng)驗(yàn)，利用人工每天進(jìn)行電纜中間頭溫度的巡測，根據(jù)溫度的改變而分析其運(yùn)行狀況耗費(fèi)大量的人力，但避免了多次事故的發(fā)生，因此說電纜溝在線監(jiān)測系統(tǒng)對發(fā)電廠安全運(yùn)行有看非常重要的意義。雖然大部分發(fā)電廠不惜大量資金早已進(jìn)行電纜溝的防火封堵及普通消防報(bào)警裝置，但是電線溝火災(zāi)仍有發(fā)生，這些措施只能起到電線著火后減輕事故范圍的作用．沒有從根本上限制減少火災(zāi)的發(fā)生。進(jìn)行電纜溝在線監(jiān)測才是從根本上限制電纜溝內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的有效可行的方法。

2．傳統(tǒng)模擬溫度傳感器為何不適合電纜溝測溫

傳統(tǒng)的溫度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常為：

每一個(gè)傳感器的溫度值都要經(jīng)過上述環(huán)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)。所以會(huì)有如下不足：

a)需要成百上千條信號(hào)線(一個(gè)電纜溝通常要測200～300個(gè)測溫點(diǎn))

b)模擬電壓信號(hào)在傳輸過程中易損耗，影響系統(tǒng)精度，且傳輸距離較近。

c)系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，難于維護(hù)。且系統(tǒng)精度易受環(huán)境影響不易保證。

d)價(jià)格昂貴。200~300點(diǎn)需要10~20萬

3．新技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)更方便

隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器成為了技術(shù)的趨勢、市場的主流。美國DALLAS公司的DS18B20數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化溫度傳感器采用獨(dú)特的思路，成功的解決了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與成本之的矛盾。使建立使用方便、經(jīng)濟(jì)可靠的監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。

LTM-8000數(shù)字化溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用美國DALLAS公司先進(jìn)的芯片科技，結(jié)合中國的現(xiàn)場情況，應(yīng)用智能化現(xiàn)場總線的技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)中僅有數(shù)字信號(hào)傳輸，而且傳感器、采集模塊均可聯(lián)網(wǎng)，使系統(tǒng)更可靠性、布線更方便。

以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

a)線纜少，傳感器可通過總線串在一起，幾十個(gè)傳感器只用一根3芯線。大大減少了現(xiàn)場線纜，方便現(xiàn)場布線。

b)由于傳感器輸出的就是數(shù)字信號(hào)，傳輸過程中沒有精度的損失，系統(tǒng)精度可以保證。

c)系統(tǒng)環(huán)節(jié)少，由傳感器出來直接進(jìn)入采集器，系統(tǒng)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)少、便于維護(hù)。

d)采用先進(jìn)的芯片科技、獨(dú)特概念，以及規(guī)?；a(chǎn)，大大降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性。

長英科技的LTM-8000數(shù)字化溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，已在電力系統(tǒng)、石油、鋼鐵等許多領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。如：

電纜溝溫度在線監(jiān)測及火災(zāi)預(yù)警

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測

電機(jī)及其接線盒溫度在線監(jiān)測

泵及風(fēng)機(jī)的軸承溫度在線監(jiān)測

倉儲(chǔ)（糧倉、冷庫、油罐）監(jiān)測

空調(diào)與樓宇自控

4．系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)配置分為如下部分:

1）上位機(jī):

功能：數(shù)據(jù)處理及用戶界面

硬件要求:奔騰133/32MDRAM/4.3G以上的兼容機(jī)或工控機(jī)。

軟件:可選用組態(tài)軟件或定制程序

2）離RS232/485通訊轉(zhuǎn)換器LTM-8520E,帶有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護(hù)

3）場采集模塊LTM-8003E

功能：實(shí)現(xiàn)兩級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)絡(luò)。一級(jí)對上位機(jī)RS-485網(wǎng)，LTM-8003模塊作為子站；另一級(jí)“一線總線”，LTM-8003模塊作為采集中心，測量線纜上的數(shù)字化傳感器作為子站。

硬件功能：帶有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護(hù)

4）溫度傳感器DS18B20

5．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化溫度傳感器DS18B20介紹

美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。

DS18B20，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C，分辨率0.0625?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，每一顆自帶地址，大大減少了系統(tǒng)的電纜數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。對應(yīng)與傳統(tǒng)概念，這一粒三極管一樣的傳感器相當(dāng)于傳統(tǒng)的：溫度傳感器+數(shù)字化+cpu+總線協(xié)議及接口。

二、簡介數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化濕度傳感器

美國DALLAS“一線總線”溫度傳感器DS18X20以其硬件接口簡單、性能穩(wěn)定受到廣大客戶好評，長英科技也針對客戶的不同需求開發(fā)出一系列產(chǎn)品。但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)其通訊協(xié)議較為復(fù)雜，使用起來不太方便。而且現(xiàn)場的需求多種多樣，DALLAS的產(chǎn)品種類顯得不足，DALLAS畢竟只是一個(gè)器件廠商，產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用的需求還是有差距。

長英科技依據(jù)客戶的需求、結(jié)合多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、采用芯片科技的新技術(shù)，在盡量保留DALLAS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的前提下，盡量彌補(bǔ)其不足。研發(fā)出LTM8901數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化濕度度傳感器。

1．傳統(tǒng)濕度傳感器的不足

傳統(tǒng)的濕度傳感器基本上分為電阻式和電容式。然后通過變送器以電壓或電流方式連接到采集器，所以：

a)傳感器互換性差，以Honeywell3605L為例，其每個(gè)傳感器附帶一張修正表，以便用戶按表修正。互換起來很不方便。

b)模擬電壓信號(hào)在傳輸過程中易損耗，影響系統(tǒng)精度，且傳輸距離較近。

c)變送器的一般需要額外供電，且對電源精度要求較高，否則影響系統(tǒng)精度。

d)系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，難于維護(hù)。且系統(tǒng)精度易受環(huán)境影響不易保證。

e)精度難以校準(zhǔn)，所以精度稍好一點(diǎn)的傳感器，價(jià)格昂貴。著名的VISSALA的3%精度的傳感器每只要上千元。

f)每個(gè)傳感器到變送器，變送器到采集器至少兩條線，多點(diǎn)系統(tǒng)中布線十分困難

2．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化濕度傳感器LTM8901的特點(diǎn)

a)互換性好，由于采用智能修正技術(shù)，傳感器可任意互換。

b)由于傳感器輸出的就是數(shù)字信號(hào)，傳輸過程中沒有精度的損失，系統(tǒng)精度可以保證。而且傳輸距離較短。

c)采用低功耗設(shè)計(jì)，由采集器統(tǒng)一供電，無需額外供電。

d)系統(tǒng)環(huán)節(jié)少，由傳感器出來直接進(jìn)入采集器，系統(tǒng)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)少、便于維護(hù)。

e)采用智能修正技術(shù)、獨(dú)特概念，以及規(guī)?；a(chǎn)，大大降低了成本，提高了可靠性。

f)線纜少，傳感器可通過總線串在一起，十幾個(gè)傳感器只用一根3芯線。大大減少了現(xiàn)場線纜，方便現(xiàn)場布線。

3．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化濕度傳感器LTM8901的簡介

a)LTM8901應(yīng)用接線接口上位機(jī)CPU只需有一個(gè)雙向的I/O引腳，按下面電路連接，即可與LTM8901通訊。要求MCU的I/O引腳為OC門輸出（或三態(tài)輸出），同時(shí)具有輸入功能即可。現(xiàn)今大多數(shù)MCU的I/O腳均有此功能。

b)LTM8901典型特性

工作溫度范圍：－25℃～＋85℃

濕度測量分辨率：0.5％RH

濕度測量量程：1％～99％RH

濕度測量精度:±3.0％RH（典型值）

回差：±2.0％RH（典型值）

年漂移：±0.5％RH（典型值）

響應(yīng)時(shí)間：5s（典型值）

工作電壓范圍：4.5～5.5V

外型尺寸：70×50×25mm3

三、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

1．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用系統(tǒng)由三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成：

ａ）傳感器網(wǎng)絡(luò)，由各種傳感器組成，分布區(qū)域在200～300米范圍內(nèi)。

ｂ）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，由各種總線采集器組成，如：LTM8000系溫濕度采集模塊，分布區(qū)域在1000～2000米范圍內(nèi)。

c)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，通常由各種PC及工作站組成，通過INTERNET可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

2．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用簡圖

四、其他數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器和相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用簡介

1．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化計(jì)數(shù)器DS2423應(yīng)用：多表出戶方案

特點(diǎn)：只需一條3芯線便可將水、電、煤氣等計(jì)量表的數(shù)據(jù)傳遞給單元采集器。

每個(gè)單元為單芯片設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)RS485聯(lián)網(wǎng)方式造價(jià)低、傳統(tǒng)脈沖出戶方式布線簡單。

2．?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化煙感報(bào)警器應(yīng)用：消防監(jiān)控

特點(diǎn)：使用電源線傳輸報(bào)警信號(hào)，多個(gè)傳感器只需兩根線連成網(wǎng)絡(luò)。

3．信息紐扣DS1991

應(yīng)用：預(yù)付費(fèi)水表、電表等、停車管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)

特點(diǎn)：采用與數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器同樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可方便的與小區(qū)智能系統(tǒng)融為一體。