（电子科学与技术专业论文）dga在线装置的自动化控制及信号处理算法研究.pdf

原创性声明 1 1 1 iiii l l1i i i1 111 1tll y 17 17 9 8 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：芝塑至日期：j 型旦年勇旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲避导师签名盥吼矬年且丛日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 溶解气体分析法是诊断变压器内部故障的最主要技术手段之一。色谱法分析 变压器油中溶解气体组分具有分离效率高、分析速度快、检测灵敏度高和样品用 量少等特点，因此在国内外电力部门得到广泛的应用。d g a 在线色谱检测研究作 为离线进行油中溶解气体色谱分析的补充和发展，可直接在变压器现场实现油色 谱的定时在线智能化监测以及故障诊断，具有重要的现实意义和实用价值。本文 首先分析了变压器在线监测发展的趋势，介绍了国内外d g a 在线监测的发展和 国内主要的d g a 在线监测设备厂家及其产品。论述了变压器油中气体的定性定 量分析是对变压器的运行状态进行评估的有效手段。脱气膜实现油气分离，是样 品气体的来源，是实现在线监测的第一个重要环节。色谱仪是d g a 技术中的核 心，对色谱仪的组成和涉及的关键部件进行了详细的分析，论述了部件的正确选 用是保证色谱仪可靠工作的关键。通过抽真空法产生气压差将样品气体送入定量 管中实现自动进样，然后由载气推入色谱仪进行测量。系统由p c i 0 4 主控板实现 智能化操作，主控单元应用l i n u x 操作系统，介绍了基于l i n u x 系统的多线程程 序实现数据采集与系统控制的流程和方法。色谱柱实现混合气体分离，氧化锆氧 传感器进行气体的定量检测，通过实验间接分析出可燃性气体含量。论文从能斯 特方程出发，提出了一种对数响应的色谱峰面积法来进行气体的定量分析。讨论 了温度对色谱柱和气体检测器工作性能的影响，为了保证色谱柱和氧化锆氧传感 器能在稳定的温度条件下工作，设计了基于智能p i d 算法的两路温度控制系统， 并从硬件和软件算法两方面对系统进行了分析。研究了色谱信号的平滑滤波算法 以及基于增加斜率搜索法的自动寻峰算法，实现色谱数据的自动分析。论文还对 系统的误差来源进行了分析，并对系统进行了离线检测与在线检测对比，实验结 果表明：所设计的d g a 系统能为变压器的状态分析提供实时可靠的数据来源。 关键词：油中溶解气体，在线监测，能斯特方程，温度控制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea n a l y s i so ft h ed i s s o l v e dg a si no i lo ft r a n s f o r m e ri sa l li m p o r t a n tk i n do f t e c h n o l o g yt od i a g n o s ei n t e r n a lf a u l t yo ft r a n s f o r m e r a st h ec h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s h a st h ea d v a n t a g eo fh i g hl e v e lo fs e p a r a t i o n ，h i l g hs p e e do fa n a l y s i s ，h i g hd e t e c t i o n s e n s i t i v i t ya n dm i n o rd o s a g eo fs a m p l e ，i ti sp o p u l a rt ot h ep o w e rs e c t o ra th o m ea n d a b r o a d t h er e s e a r c ho fo n l i n ec h r o m a t o g r a p h i cd e t e c t i o nt ot h ed i s s o l v e dg a si no i lo f t r a n s f o r m e ru s e da sac o m p l e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fo f f - l i n ed e t e c t i o nc a nr e a l i z e t h et i m i n g ，o n - l i n ea n di n t e l l i g e n tm o n i t o ra n dd i a g n o s i so ff i l e dc h r o m a t o g r a p h i c a n a l y s i so ft h eg a sd i s s o l v e di no i l ，w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d v a l u e t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ei n e x o r a b l et r e n do fd e v e l o p i n go n - l i n ed e t e c t i n g o ft r a n s f o r m e r ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h eo n - l i n ed e t e c t o ro fd i s s o l v eg a si no i l i na n da b o a r da n dt h em a i nf a c t o r i e so fo n l i n ed g ae q u i p m e n ta n dt h e i re q u i p m e n t s a th o m e q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot h eg a sd i s s o l v e di no i li sa n e f f e c t i v em e a n st oa s s e s st h ew o r ks t a t u so ft h et r a n s f o r m e r e x t r a c t i n gm e m b r a n eu s e d t oe x t r a c tt h eo i la n dg a si st h es o l i r c eo ft h es a m p l eg a sa n daf i r s ti m p o r t a n tp a r tt o r e a l i z et h eo n 1 i n ed e t e c t i n gt e c h n o l o g y g a sc h r o m a t o g r a p hi st h ec o r eo ft h ed g a t e c h n o l o g y ad e t a i l e da n a l y s i s a b o u tt h ec o m p o n e n t sa n dk e yp a r t so ft h e c h r o m a t o g r a p hi sm a d e r i g h tc h o i c eo ft h ek e yp a r t si si m p o r t a n tt o m a k et h e c h r o m a t o g r a p hw o r kr e l i a b l y a u t oi n j e c t i o ni sa c h i e v e db yv a c u u mp u m p i n g t om a k e p r e s s u r ed i f f e r e n c e w h i c hc a np u s ht h es a m p l eg a si n t ot h el o o p t h es y s t e mi s a c h i e v e di n t e l l i g e n to p e r a t i o nb yp c10 4c o n t r o lb o a r d a n dt h em a i np r o c e s s i n gu n i t u s et h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ep r o c e s sa n dm e t h o dt or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o na n d s y s t e mc o n t r o lb a s e do nm u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d c h r o m a t o g r 印h i c c o l u m ni su s e dt os e p a r a t et h em i x e dg a s ，a n dt h ez i r c o n i ao x y g e ns e n s o ri su s e dt o m a k eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i st ot h ef u e lg a sw h i c hc a nb ea n a l y z e di n d i r e c t l yb y e x p e r i m e n t s al o g a r i t h m r e s p o n s ea r e am e t h o d i sb r o u g h tu pa c c o r d i n gt ot h en e m s t e q u a t i o nf o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si nt h i sp a p e r a d i s c u s s i o na b o u th o wt h et e m p e r a t m e i n f l u e n c e st h ec h r o m a t o g r a p h i cc o l u m na n dg a sd e t e c t o ri sm a d e a n di no r d e rt om a k e t h e c h r o m a t o g r a p h i cc o l u m na n dz i r c o n i ao x y g e ns e n s o rd e t e c t o rw o r ka tf i t t i n g t e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e ，ad o u b l et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sa n a l y z e d f r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，b a s eo ni n t e l l i g e n tp i da r i t h m e t i ci sd e s i g n e d a r e s e a r c ha b o u ts m o o t hf i l t e r i n gm e t h o da n da u t o m a t i cp e a ks e a r c h i n ga r i t h m e t i cb a s e d o ni n c r e a s i n g t a g e n t s e a r c ha r em a d et op r o c e s st h ec h r o m a t o g r a p h i cs i g n a l a u t o m a t i c a l l y a tl a s tt h es o u r c eo fe r r o ri sa n a l y z e d ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m i i i st e s t e db yc o n t r a s t i n gt h eo n l i n ea n do f f - l i n ed e t e c t i o n t h er e s u i ts h o w s t l l a tt h e d g a s y s t e mw ed e s i g n e dc a np r o v i d er e a lt i m ea n dr e l i a b l ed a t as o u l c et ot l l es t a t l l s a n a l y s i so ft h et r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：d i s s o l v e d g a si no i l ，o n l i n em o n i t o r ，n e m s te q u a t i o n ， t e m p e r a t u r ec o n t r o l 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外变压器在线监测技术发展现状2 1 3 本文主要研究内容3 1 4 j 、结4 第二章d g a 在线装置的组成与分析5 2 1 变压器油5 2 2 脱气膜6 2 3 色谱仪6 2 4 数据采集与系统控制8 2 4 1 嵌入式l i n u x 内核的裁剪和移植9 2 4 2d g a 在线监测系统的控制程序9 2 5 上位机软件1 2 2 6 j 、结。1 3 第三章检测器的基础实验及算法研究1 4 3 1 常用检测器1 4 3 2 氧化锆氧传感器l6 3 2 1 氧化锆检测器的基本原理16 3 2 2n e m s t 方程。1 7 3 3 实验研究18 3 4 结果分析2 0 3 4 1 定量分析方法2 0 3 4 2 对数响应的色谱面积法2 1 3 4 3 数据与误差分析2 3 3 5 小结2 4 第四章色谱柱与气体检测器的温度控制系统设计2 5 4 i 恒温控制系统设计2 5 4 1 1 恒温系统的硬件设计2 6 i v 中南大学硕士学位论文目录 4 1 2 算法及软件设计3 0 4 2 本章小结3 4 第五章色谱数据处理研究3 5 5 1 色j 普图3 5 5 2 软件滤波算法研究3 6 5 2 1 滑动平滑法3 6 5 2 2 中位数滤波3 8 5 3 增加斜率搜索法4 0 5 4 自动寻峰算法研究与实现4 2 5 5 小结4 3 第六章误差分析与实验检定4 5 6 1 误差分析4 5 6 2 实验检定4 6 6 3 小结4 7 第七章总结与展望4 8 参考文献5 0 致谢5 4 攻读学位期间主要的研究成果目录5 5 附勇乏5 6 v 中南大学硕士学位论文绪论 1 。1 研究目的和意义 第一章绪论 溶解气体分析法【l 叫( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s 简称d g a ) 是诊断变压器内部故 障的最主要技术手段之一。根据d l t 7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判 断导则i 引，通过分析油中7 种分析组分h 2 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c i - 1 4 、c o 和 c 0 2 的含量来判断并分析故障。由于色谱、法【5 j 对分析变压器油中溶解气体组分 具有分离效率高、分析速度快、检测灵敏度高和样品用量少等特点，因此在国内 外电力部门得到广泛的应用【6 j 。 从2 0 世纪7 0 年代开始，世界各国针对变压器油中溶解气体分析法存在周期 长、分析时间长、精确度差以及不容易捕捉到突然性故障征兆等不可避免的弊端， 作为离线进行油中溶解气体色谱分析的补充和发展，相继研究油中溶解气体在线 监测技术，开发以油中溶解气体组分含量为特征量的在线监测装置及系统【7 】，研 究以及开发以模糊数学【8 m l 、神经网络【1 3 郴】、灰色系统及其粗糙集例等理论为 基础的智能化诊断方法及专家系统【2 m 3 1 ，为推动在线监测为主要手段的状态维修 制的逐步实施起了非常重要的作用【2 4 1 。 对于变压器油中溶解气体分析的在线监测方法，虽然仍以油中溶解气体为反 映故障的特征量，但是它是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测 以及故障诊吲2 5 1 ，这样，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在 的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对故障自动进行诊断，以便运行人员 迅速做出处理1 2 ；同时，可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障诊断的可 靠性；可以在主控室对变电站每台主变的油中溶解气体进行巡回在线监测；根据 需要，可以实现反映变压器电气异常的多特征量( 色谱、局放、介损等) 的在线 智能化监测和对故障综合评判诊断以及与变电站其它在线监测以及诊断装置联 机，实现整个变电站运行工况的在线智能化监测以及诊吲2 7 1 。除此之外，从变压 器运行可靠性的重要性和变压器与油中溶解气体在线监测装置的价格比来看，采 用在线监测装置在技术经济上都有显著的优势，既提高了变电站运行的管理水 平，又可为从预防性维修制过渡到预知性维修制奠定基础。因此，变压器油中溶 解气体在线监测及其故障诊断的研究具有重要的现实意义和实用价值。 中南大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外变压器在线监测技术发展现状 近几十年来，国内外都致力于变压器油在线监测原理或装置的研究，相继研 制出一些具有实用价值的在线监测及诊断装置。加拿大s y p r o t e c 公司早在二十世 纪七十年代就研制了h y d r a n 在线氢气监测仪【2 引，是世界上应用最广泛的监测 系统。其系列代表产品h y d r a n 2 0 1 r e 2 9 】早期故障监测仪是一种以氢气为主的可 燃气检测仪，它的检测周期为2 4 小时，其正常使用可达1 5 年以上。 随着在线监测技术的发展，类似h y d r a n 产品只检测一种或几种气体总含 量的监测方式已不能满足企业用户的技术要求。近几年来，国外公司己开发出全 组分气体的在线色谱装置，例如，日本日立、三菱公司最先推出能在线监测h 2 、 c o 、c h 4 、c 2 i - h 、c 2 h e 、c 2 h 6 六种气体的装置。美国a v o 公司的t u r e g a s l 3 0 】 变压器油中气体在线监测设备可监测多达8 种气体( h 2 、c o 、c o s 、c i - 1 4 、c 2 h 2 、 c 2 h 4 、c 2 h 6 、0 2 ) 。澳大利亚红相电力设备集团的d r m c c 变压器在线监测控制 系统【3 l 】可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，可监测变压器的各类数据， 如：溶解在油中的氢气、水等气体，绕组温度、调压抽头位置等。国外很多公司 纷纷研制了在线监测多种气体的系统，这些系统大多尚未商品化，而且运行时间 尚短，其可靠性有待进一步检验。 我国从1 9 8 1 年起相继研制出了多种类型的氢气或乙炔在线监测装置和六种 溶解气体在线监测装置，大多数属于研制产品，因各种技术原因，商品化产品甚 少。中国电力科学院研制的d o g 。1 0 0 0 型油中溶解气体在线装置采用一种耐油、 耐热的透氢高分子分离膜，使氢气分子透过该膜直接从油中分离出来【3 2 1 。这种膜 对氢有较好的选择性，在检测中很少受到除氢以外的气体的干扰，但该装置仅能 测量油中的溶解氢气。 东北电力试验研究院研制的b s z 型大型变压器油色谱在线监测装置1 3 3 1 ，主 要对变压器油中可燃烃类气体c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 进行在线监测，虽然检 测周期仅为l 小时，可检测的气体最小含量为o 5 “饥( 测量精度为1 0 ) ，但用 的是f i d ( 氢火焰) 检测器，使系统庞大，很难用于现场在线监测，且可靠性和稳 定性差。重庆大学与重庆海吉科技公司共同研发的变压器油中气体在线监测系统 1 3 0 1 采用的多传感气敏元件，利用数据融合技术，可同时检测运行变压器油中h 2 、 c o 、c i - h 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 六种溶解气体，声称对c 2 h 2 检测灵敏度达1 “l l ， 其余五种气体的监测灵敏度为1 0 9 l l 。同时，国内也将最新的检测技术运用于 油中的在线监测中，以期实现不需要消耗气体，不需要现场定标，检测精度、灵 敏度超过实验室气相色谱的变压器油中溶解气体在线监测仪【3 4 1 。 近几年来，国内生产变压器油在线监测设备的厂家竞争日趋激烈。宁波理工 2 中南大学硕士学位论文绪论 m g a 2 0 0 0 系统采用气相色谱法原理，对变压器油中溶解气体进行多组份定量在 线监测与故障诊断。该系统由色谱数据采集器、数据处理服务器、嵌入式软件、 服务器软件、客户端软件等部分组成，能够自动高精度地定量分析变压器油中溶 解的故障特征气体，可实现故障自动诊断和报警，可分析故障发展趋势，具有网 络化远程监测与故障诊断功能。m g a 2 0 0 0 系统主要应用于电网公司、发电公司、 以及电力大用户( 包括冶金、石化、铁路等大型工矿企业) 的1 1 0 k v 及以上电 压等级的电力变压器、电弧炉变压器、电抗器以及互感器等油浸式高压设备的在 线监测与故障诊断。 河南中分的中分3 0 0 0 色谱在线监测系统，采用色谱分析原理，应用动态顶 空( 吹扫捕集) 脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对变压器油中h 2 、c o 、 c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 、c 0 2 七种组分检测。整套系统集色谱分析、专家诊断 系统、自动控制、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实 现了对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障， 随时掌握设备的运行状况。弥补了试验室色谱分析监测周期长的不足，为保证变 压器安全经济运行和状态检修提供了技术支持。 北京华电云通电力技术有限公司吸取国外领先技术自主研发的m t 6 0 0 0 在 线色谱监测系统，能定期监测h z 、c o 、c h 4 、c 2 i - 1 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 、水及总烃、 总可燃气体含量，并实时分析、诊断变压器的工作状态及故障类型。系统具备自 校准系统，采用标准样气，定期进行校准，保证监测的准确性和可追溯性。具有 完善的三比值法和电协研法、大卫三角形法对变压器运行状况进行综合判断，同 时具有远程变压器油状态协助分析机制。 总之，随着色谱技术、传感技术、检测及故障诊断等技术发展，国内变压器 在线监测技术也取得了较大的进展，变压器状态监测系统多年的运行经验表明： 中南大学硕士学位论文绪论 化锆测氧的影响分析出可燃气体含量，并提出一种变异的面积法对可燃气体 进行定量分析。 ( 3 ) 温度控制系统：为色谱仪的工作提供了保证条件。在p i d 算法的基础上结合 加热系统的实际情况，对p i d 算法进行改进，提出分段智能p i d 算法，达到 了良好的温控效果。 ( 4 ) 色谱信号处理与色谱峰自动识别：实现了色谱数据分析的准确性和智能化。 1 4 小结 变压器在线监测技术是电力监测行业发展的必然趋势，如何将d g a 测量更 加准确可靠，真正实现实时在线分析、故障诊断，是我们研究的目的。本章对国 内外在线监测技术的发展现状进行了论述，阐述研究的主要方法和关键技术。目 前国内在线监测水平已取得了很大发展，但还需要进一步提高。本文的研究正是 基于行业现状，为推动d g a 在线监测技术的发展做出自己的努力。 本文的章节安排： 第一章：课题研究的目的和意义，以及国内外在线监测技术的发展现状。 第二章：在线色谱装置的各组成部分分析，系统的下位机的软件组成。论述 了l i n u x 操作系统的优点及如何实现系统的自动控制与数据采集。 第三章：常用的几种气体检测器的性能比较，通过实验验证了氧化锆氧传感 器作为气体检测器的可行性。提出变异面积法对可燃气性进行定量分析。 第四章：硬件和软件算法上介绍了用于保证在线色谱装置正常工作的恒温控 制系统，重点分析了智能p i d 算法。 第五章：讨论如何实现自动寻峰，认为滤波是寻峰的前提，对比了常用几种 寻峰算法，分析了增加斜率搜索法的优点，并用v c 实现，应用于分析我们得到 色谱图谱，取得很好的寻峰效果。 第六章：分析了系统的误差来源，并模拟现场情况进行了离线、在线数据对 比，测试了系统的准确性。 第七章：总结与展望。 4 中南大学硕士学位论文 d g a 在线装置的组成与分析 第二章d g a 在线装置的组成与分析 d g a 在线色谱检测装置一般可分为三个部分：油气分离模块、气体检测装 置、色谱数据分析及故障诊断。本文的在线色谱装置框图如图2 1 所示。 图2 一l 在线色谱装置框图 下面就从以下几个部分分别进行介绍。 2 1 变压器油 变压器油是d g a 的检测对象，它在变压器中的主要作用是： ( 1 ) 绝缘作用：变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。绝缘材料浸在油中， 不仅可提高绝缘强度，而且还可免受潮气的侵蚀。 ( 2 ) 散热作用：变压器油的比热大，常用作冷却剂。变压器运行时产生的热 量使靠近铁芯和绕组的油受热膨胀上升，通过油的上下对流，热量通过散热器散 出，保证变压器正常运行。 ( 3 ) 消弧作用：在油断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生 电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分解大量气体，产生 较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。 变压器油是石油的分馏产物，其主要成分是烷烃，环烷族饱和烃和芳香族不 饱和烃等化合物。另外变压器中还存在一些固体有机绝缘材料( 纸和纸板) ，其 主要成分为纤维素。在正常运行状态下，变压器油和固体绝缘材料会在热和电的 作用下逐渐老化、变质，分解出少量气体，如氢气( h 2 ) 、甲烷( c i - h ) 、乙烷( c 2 h 6 ) 、 乙烯( c 2 h 4 ) 、乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 和二氧化碳( c 0 2 ) 等。当变压 器内部发生故障时，这些气体的产量会迅速增加，所形成的气泡在油中经对流、 扩散不断溶解于变压器油中，并且对应不同的故障类型，所产生的故障气体种类， 5 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 油中溶解气体的浓度和各种气体含量的相对比例关系也各不相同。变压器油中溶 解气体的组分和含量在一定程度上反应出其内部的故障类型及其严重程度【3 5 删。 利用这一关系判断设备内部故障和监视设备的运行情况，成为充油电气设备安全 运行不可缺少的手段，是一种重要的有实际意义的方法，得到了广泛使用。 2 2 脱气膜 要对变压器油中溶解气体进行在线检测分析，必须首先使溶解气体从油中脱 离出来，传统的机械振荡法和真空法变径活塞泵全脱气法】无法满足在线测量 的要求，而采用高分子透气薄膜的方法，可以克服前述方法的缺点。本装置选用 的是聚四氟乙烯( p t f e ) 【4 2 斟l 超细管，根据聚合物的分子振动的性质，气体可 以从超细管的薄壁上溶解扩散出来，并且由于超细管是对称匀质膜，因此气体可 以任意方向扩散。 由于p t f e 聚合物分子结构是很长的碳链交错在一起，碳链外围有氟原子呈 螺旋状包覆，形成非常稳定的分子结构，不会与变压器油发生化学反应。根据液 体性质，变压器油因为其自身分子间的界面张力不能透过超细管，同时p t f e 分 子间存在热运动，溶解于变压器油中的气体分子可以在p t f e 分子热运动产生的 间隙中自由穿行，所以达到油气分离的目的。油中溶解气体与气室的气体存在浓 度差，会产生动态平衡过程，根据热力学第二定律，系统总是趋向于熵最大，也 就是说气体可以自动的达到内外，气体、液体之间的平衡。变压器油受到超细管 的束缚只能在管内循环，从而实现在线脱气，根据变压器油的情况产生动态的变 化。 2 3 色谱仪 色谱仪主要包括气路系统、检测器和温控系统三个部分。这里主要介绍气路 系统，检测器和温控系统将后面章节介绍。 色谱仪的气路如图2 2 所示，该气路使用平面六通阀，由于平面六通阀其独 特的机械结构使气路连接大大简化。该气路采用真空泵抽真空法，实现自动进样 对样品进行分析。 六通阀有6 个固定的气孔，和一个可6 0 。转动的芯，如图2 2 所示。转芯上 有可以覆盖两个孔的联通凹槽，随着转芯的左右转动，起到一个气路切换的作用。 如图2 2 所示将气孔编号为l 、2 、3 、4 、5 、6 ，当六通阀的转芯在位置实线时， 连通的3 路气路是1 2 ，3 4 ，5 - 6 ，当六通阀的转芯在虚线位置时，被连通的气 路就改变为6 1 ，2 3 ，4 5 。在实线状态时气路连通定量管、色谱柱、检测器， 6 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 装置处于色谱分析状态，虚线状态时，定量管连通真空泵，此时真空泵将定量管 抽真空，为下一步自动进样做准备。 定置曹 图2 2 色谱仪气路图 气路中还包括一些稳压阀、稳流阀用来保证气流的稳定，同时还配有大量的 电磁阀来保证气路的气密性与气流方向的控制。电磁阀有二通电磁阀、三通电磁 阀和六通阀等。电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，属于执行器。 电磁阀从原理上分为三大类： 1 ) 直动式电磁阀： 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断 电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、 零压时能正常工作，但通径一般不超过2 5 m m 。 2 ) 先导式电磁阀： 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围 形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧 力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压 差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高， 可任意安装( 需定制) 但必须满足流体压差条件。 3 ) 分步直动式电磁阀： 原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通 电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与 出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力 下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推 动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时亦能可动 作，但功率较大，要求必须水平安装。 本系统使用的基本上是直动式电磁阀，2 4 v 直流控制，电磁阀等执行器元件 的使用使系统更容易实现控制自动化。电磁阀的好坏将直接影响系统的正常工 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 作，因此对于电磁阀选型及质量检测尤为重要。 电磁阀通常容易出现的问题就是漏气。漏气对于色谱系统测量的影响是致命 的。任何一个电磁阀漏气都将影响整个色谱仪的工作，而造成系统工作不正常。 长期非正常工作，可能会导致色谱柱等部件的损坏，而使整个色谱系统瘫痪。因 此使用前必须做气密性实验和疲劳性实验，保证电磁阀工作的可靠性。 2 4 数据采集与系统控制 数据采集采用p c 一1 0 4 总线式采集卡。p c 一1 0 4 总线是一种出现已久的栈式总 线，基本上属于i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ：i 业标准体系结构) 总线 的变型。模块尺寸很小( 9 0 m m x9 6 m m ) ，多个模块通过针孔结构堆叠而成，形 成的系统结构紧凑、抗冲击性能好，加上现在广泛应用的低功耗技术，使p c 一1 0 4 总线特别适于用户自行开发特殊应用产品。主控单元采用嵌入式工业计算机，支 持l i n u x 操作系统，提供以p c i 0 4 总线接口、太网口和r s 2 3 2 串口等，其原理 图如图2 3 所示。 以太网，鬻r s 4 8 5 总线 l ir 蕃茹 开关量控制信号 数据采 集卡 温、湿度信号 色谱信号 图2 - 3 主控单元原理图 主控单元通过r s 4 8 5 总线与上位机通信，4 8 5 通信抗干扰能力很强且通信 距离远，即使在电厂和变电站这样的存在强干扰的工业现场也能提供可靠的通 信。主控单元的p c 一1 0 4 总线插槽连接数据采集卡，采集色谱信号及其他如环境 温、湿度，油中水分含量等传感器输出的信号，并输出的开关量控制信号用于控 制电磁阀等执行器。 变压器油中气体在线监测系统的软件主要包括2 个部分： 1 ) 嵌入式l i n u x 操作系统内核的裁剪和移植； 2 ) 变压器油色谱在线监测系统的主控程序； 8 中南大学硕士学位论文 d g a 在线装置的组成与分析 2 4 1 嵌入式l i r i i x 内核的裁剪和移植 l i n u x 操作系统是典型的3 2 位系统( 也支持6 4 位) ，支持4 g 以上内存、多 任务、多线程，支持大量外设，是与w i n d o w s 操作系统同样强大的系统，但由 于它是开源软件，不用支付高昂的版权费，并且能够针对不同的主板( 包括嵌入 式工控板) 定制、裁剪内核以适应不同的需求。它有以下优点： 1 ) 方便调试。基于其多线程特性，可以使用串口、网络等设备在不影响控 制程序运行的前提下，进行各种调试，特别是在现场运行时，可以使用一台笔记 本电脑在不用掉电的情况下对主板进行调试。 2 ) 支持很多设备：在不影响控制程序运行的前提下，可以使用u 盘等设备 在主板上读取、写入数据；可以使用网络的邱服务或h 订p 服务上传下载数据， 或者使用t e l n e t 服务来控制主板。 3 ) 可以在实现以下规模较大、需要内存较多的运算。 4 ) 可以引入对无线上网卡设备( u s b 接1 2 1 ) 的支持，只需要工程人员在现 场插入上网卡即可实现技术人员在家远程对现场设备进行调试，获取数据。 l i n u x 操作系统内核功能强大，支持大量的硬件，因此体积比较庞大。为了 适应嵌入式工控板有限的硬件资源，必须对l i n u x 内核进行裁剪，去除不必要的 功能和硬件驱动以缩小操作系统的体积。并且l i n u x 系统支持大量不同的平台， 因此，需要针对目标工控板的c p u 类型进行移植。 2 4 2d g a 在线监测系统的控制程序 掣可黾 该主控程序包括4 个模块： 图2 4 主控程序结构框图 9 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 1 ) 通信模块 2 ) 命令解析及执行模块 3 ) 数据采集模块 4 ) 看门狗模块 这4 个模块在4 个相互独立的线程内运行，分别完成各自的任务。其结构如 图2 4 所示。 1 ) 通信模块 本系统遵循主从问答式的m o d b u s 通信协议，须等待主机( 即上位机) 发 出命令后，指定从机( 即工控板) 才能做出相应的应答，而不能主动发起任何一 次传输。因此，该模块负责侦听工控板的4 8 5 端口，接收4 8 5 总线上的命令报文， 判断自身是否为上位机指定的从机，然后验证该报文的合法性，若报文不合法， 则向上位机报告错误信息，合法则建立新线程并进入命令解析和执行模块。图 2 5 所示为通信模块的程序流程。 接收4 8 5 总线上 的命令 丁 ，7 心芝三 士y 一一一一一一、 是否为指定从机? 、 上y ，7 、 报文是否合法? 、_ ，7 王二 建立新线程 命令解析和 执行模块 n n 图2 5 通信模块的程序流程 2 ) 命令解析及执行模块 该模块是主控程序的核心，主要完成以下2 个任务： ( 1 ) 控制油色谱设备各个部件的定时动作，如色谱仪电源的开闭、载气和 样气的气泵气阀开闭、温控装置的启动等； 1 0 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 ( 2 ) 记录采样过程中油色谱设备输出的色谱信号，保存成图谱文件，收集 系统的运行状态信息，如环境温湿度、油温、油泵转速及各部件的开闭状态，根 据请求上传数据； 色谱仪的控制是由一系列自动的、连贯的、定时的动作组合而成，其控制过 程如图2 6 所示。 打开载气 进出口电磁阀 y 囱 上抽真空 圈 l 泵和相关电磁阀i 上自动进样 l 打开、关闭脱气l | 膜相关电磁阀i 触发采样 停止采样 关闭色谱仪及载 气进出口电磁阀 退出 图2 - 6 色谱仪控制流程 否 需要注意的是通信模块和命令的解析执行模块必须采取两个线程，如果不使 用两个并发的线程来分别运行，那么通信模块必然会因为命令解析执行模块的运 行而受到阻塞，直至当前命令执行完毕才能继续接收、响应下条命令，这样不 中南大学硕士学位论文d g a 在线装置的组成与分析 仅大大降低了系统的人机交互能力，而且会造成下位机“假死 的现象，使得维 护人员不知道主控单元到底是在执行命令当中还是已经死机。这也是以往基于无 操作系统或d o s 操作系统的在线监测系统的一大缺陷，而嵌入式l i n u x 对多线 程的支持能够在主控单元执行当前命令的同时继续接收和响应上位机的命令。 另外在通信模块与命令解析与执行模块并发运行时，还需要考虑对4 8 5 端口 的竞争问题。因为命令解析执行模块可能需要根据上位机的要求上传数据文件， 而4 8 5 通信是一种半双工的通信方式，若两个模块同时对4 8 5 端口进行接收和发 送操作，则会造成误码而导致通信失败。因此，当两个模块竞争4 8 5 端口时，一 定要互斥的进行访问。嵌入式l i n u x 也提供了相应的同步机制来解决这个问题。 3 ) 数据采集模块 当上位机短时间内连续发出多条命令，此时，通信模块可能会建立多个并行 的线程来运行命令解析及执行模块，即同一时刻可能有多个针对不同上位机命令 的解析和执行模块在运行。这些线程可能同时需要占用数据采集卡完成采集工 作。如果不能处理好这种竞争，则会导致采集的数据异常。而采用像4 8 5 端口那 样的互斥访问方式会降低数据采集的实时性和采集卡的吞吐量。 本系统的数据采集任务是在一条专用的数据采集线程内完成，在满足系统实 时性要求的前提下，定