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摘要：六氟化硫（SF6）是一种在常温常压下无色、无臭、无毒、不燃、无腐蚀性的气体，其化学稳定性强，高温下不分解，和酸、碱、盐、氨、水等不发生反应，在电弧作用下分解为S和F的原子气，具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，是一种优于空气和油的新一代超高压绝缘介质材料，被广泛应用于断路器、高压变压器、气封闭组合电容器（GIS）等电气设备中。
关键词：六氟化硫；无线控制；设计
1.控制器的选型及设计
SF6无线控制全自动充气补气装置的研究主要包括以下关键技术：控制器的选型及设计，外围设备及电路设计、软件设计等几个方面。下面分类阐述研发的思路及主要技术依据。
控制器有多种选择方案：一是为分离元件逻辑电路，该控制电路全部为继电器、接触器及其它电气元件组成，其功能单一、体积较大、电路较复杂，稳定性及可靠性不高，且不能实现编程，不适应产品的升级改造及复杂场合的使用需要，因而本项目将不考虑采用这种方案。第二种方案是利用微处理芯片组建计算机控制系统，可以实现编程控制，具有灵活，智能等特点。这种计算机控制系统的核心部件是包含CPU的控制芯片，可供选择的用于工业场合的控制器包括PLC、单片机、DSP、ARM芯片等。其中采用单片机作为控制芯片时，必须单独设计外围电路及接口，结构相对复杂，且在野外作业时其稳定性及可靠性方面不如PLC；DSP芯片的作用与单片机类似，但其优势明显，即运算速度相当快，主要用于大数据量的处理场合，而本项目控制目标较简单，主要需求为可靠性及便携性，故此也不考虑DSP；ARM芯片一般用于嵌入式系统中，可以说是一种32位的单片机，可以加载Linux，Wince等复杂的操作系统，与单片机一样，要设计其电路，结构相对较复杂，设计要求较高；PLC作为可编程的控制器，既使用方便，又具有高稳定行，因此满足本装置的要求。
PLC，又称为可编程序控制器，其最早是用于代替物理继电器来完成各种逻辑控制功能，具有集成化，稳定性高、可编程灵活控制等一系统优点，在工业场合得到大量的应用。PLC可以执行各种逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过其数字或模拟式输出控制各类型的生产机械的控制信号，完成机械的生产动作或生产过程。PLC具有CPU、存储器及模拟及数字量的接口，可以接入现场信号，同时具有通信接口模块，可以接入控制面板，或与上位机相连，直接由上位机编程实现控制。PLC所使用的编程语言非常简单，可以直接利用指令系统或梯形图语言，电气工程师易于上手及掌握。PLC可以预制许多程序，改变其程序，即可改变其控制的功能。另外PLC产品线较丰富，硬件配套齐全，可以方便灵活组成系统，减少了自动控制的系统的设计、安装及维护的工作量。相比较其他控制芯片，利用PLC组成的控制系统，其稳定性更高，适应性更强，故障率更低。
综上，本项目拟采用PLC作为主控芯片，同时对其扩展模块进行必要的选型，并设计相应的外围设备电路。采用该方案可以最大限度的减少工作量，提高设计速度，加快项目的开展进程，同时，采用PLC的设备，其可靠性、稳定性、可扩展性等，都具有明显的优势。
2.外围设备及电路设计
在本项目所设计的PLC控制系统，所包含的外围设备主要包括电源模块、无线控制模块、操作面板模块、传感器检测装置，执行装置既气动阀等。这些外围设备的主要功能是对整个充气装置进行供电、设定控制目标、检测及反馈压力和流量值、接收控制器的指令打开和关闭相应的气动阀，进行自动充气和断气等。
a）电源的选择
电源包括无线端控制电源及PLC控制电源两个部分，其中PLC电源用于对PLC各模块的集成电路进行供电。电源按其输入类型有：交流电源，常采用或110V～220V交流电；直流电源，常采用24V的直流电。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因为SF6充气装置一般用于变电站等室外块合，为了方便携带及使用，在此采用锂电池作为后备电源，并准备必要的充电器。
b）无线控制模块
自动充气装置的控制有两种方案可供选择，一种是直接利用有线方式与PLC通信，采用操作面板直接与PLC直连，实现直接控制，另一种是利用无线控制模块来远程控制PLC执行器，实现无线操控。从技术的角度及使用的便携性方面出发，本系统拟采用更为先进的无线控制模块来对PLC进行通讯，实现远程无线控制自动充气及补气，这种方式还可大大减小自动充气装置的体积，更便于操作。
c）操作面板的设计
控制面板充当着PLC自动充气系统的参数的设定及设备启停信号发出的功能，直接与PLC进行通讯。操作面板可以直接采用传统的按键式结构，但却无法显示设备的运行状态，也无法实现多样化控制。另一方面，操作面板也可以采用液晶显示加按键式，以及全触摸式液晶面板等方式。为了使结构紧凑，操作便利，本项目拟采用LED触摸面板，利用标准的通讯接口与控制核心相连，在触摸面板上可直接设定调节的控制的相关参数，同时又可以显示设备的运行过程中的各种状态值，如压力值、温度等，具有先进性及便利性。
d）传感检测装置的选择
自动充气系统中首先必须确定气室的压力值是否低于给定值，同时还要知道气源的压力值是否满足要求，因而必须在气室的入口处接一个气压传感器，同时，在气瓶中的减压阀外出应安装一个气压传感器用于检测供气的压力，从而决定是否进行充气。
e）执行机构的设计
在自动充气系统，充当执行机构的是直接控制气路连接与断开的气动阀，可以采用电磁换向阀和节流阀来实现不同流量的充气，也可采用伺服比例阀来进行充气。采用第二种方式，可以更好地兼顾充气的效率及平稳性，当气室压力远低于设定压力，或给新气室充气时，该伺服比例阀的阀口开度最大，可进行大流量气体快速充气；当压力接近设定值时，其阀口变小实现小流量缓慢平稳充气，以避免过充，并保证充气后气室压力的准确性。而且对于伺服比例阀，可以利用PLC输入压力的设定值进行控制，保证其出口压力达到要求。
3.存在问题及改进措施
目前，该装置在使用过程，主要存在以下尚需要改进的问题：
3.1气室压力值的监测准确性问题。由于GIS等使用SF6设备的气室内不便直接安装压力传感器，所以在自动充气及补气时，气体压力传感检测装置一般安置在气室的入口管处，但由于气体的传输过程中的压力损失，但此处检测到的气体的压力并不能完全等同于气室内部的压力，有一定的误差。目前所采取的措施是在实践操作的基础上，根据经验对气室压力误差进行补偿的办法，通过控制伺服比例阀的导通时间，从而使气室压力达到要求。尽管此方法可基本保证充气的安全稳定性，但气室压力还是不能做到准确监测，后续开发研究中将改善此问题，主要是提高气室压力控制的准确性。
3.2操作界面的人性化处理。由于气体的可压缩性及传输过程中的压力损失，压力传感器必须在阀门关闭的情况下采集压力的数据，因此在触摸式的液晶显示屏上需要设定的参数过多，这需要操作人员在详细了解充气的原理及过程的基础上，理解各参数的定义，合理地设定参数，因此，对操作的人员的技能提出了一定的要求，相关操作人员进行培训才能进行设备的正确使用。今后，将在重新考虑充气方法及策略的基础上，尽量采用软件编程的方法来完成参数的调整，简化系统的操作界面，使之更为人性化，便利化。
4.结束语
总之，虽然当前SF6电气设备还没有完全实现无线自动化充气补气，但自动充气装置已成功运用于其他产品领域，具有借鉴性，而且相关电子器件包括无线控制技术也已相当成熟，证明了该项目的实现的可行性。
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论文作者:庄严,杨志豪,刘晓磊,齐立,吴鲤新,杨志辉
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：压力论文; 装置论文; 操作论文; 控制器论文; 模块论文; 系统论文; 芯片论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;