总装测试厂房接地阻抗安全监测系统研究

1、总装测试厂房接地阻抗安全监测系统研 究张仲陶冶岳景东朱立北京万云科技开发有限公司北京市突发事件预警信息发布中心 北京市石景山气象局摘要：接地阻抗可靠性对总装测试厂房安全测试环境有着重要意义。目前总装测试厂房 接地阻抗测量主要靠人工手动测量完成，为了确保测量可靠，使用单位一般都 聘请专业机构来完成。一次测量需要投入大量人工、时间和资金，因此多数单位 一年只进行一次例行检测。这样就很难确保总装测试厂房接地阻抗的安全性。针 对这种现状，本文基于接地阻抗测试原理、工业控制、物联网技术、网络通信和 嵌入技术设计出一套接地阻抗自动监测系统。系统测试主机能够自动测量接地阻 抗，并自动保存和上传，形成对总装测

2、试厂房接地阻抗时时进行监测。并根据航 天部门特点，设计为分级管理模式，确保总装测试厂房接地阻抗安全可靠。关键词：总装测试厂房接地;接地阻抗;自动监测;research on the safety monitoring system of the ground impedance of assembly testing plantzhang zhong tao ye yue jing-dong zhu libeijing wanyun technology development co.、 ltd.;beijing emergency warning inforniqtion releasece

3、nter; shijingshan meteorological bureau ofbeijing;abstract：grounding impedance reliability is of great significance for the assembly test plant safety testing environment. at present, the test of grounding impedanee of the final assembly testing plant is mainly done by manual measurement. in order t

4、o ensure the measurement i s reliable, the related units usually employ professioneil agencies to completc the mcasuremcnt. a measurement requires a lot of manpower, time and money, so most units only conduct routine testing once a year. this makes it difficuit to ensure the safety of the grounding

5、resistanee of the assembly test plant. in response to this situation, this paper designs a ground impedance automatic monitoring system based on the principlc of ground impedance test, industrial control, internet of things technology, network communication and embedded technology. system test host

6、can automatically measure the ground impedance, and automatically save and upload, realizing real-1ime monitoring of assembly test plant ground impedance. according to the characteristics of the aerospace department, it is designed as a hierarchical management mode to ensure that the grounding imped

7、ance of the assembly test plant is safe and reliable.keyword：ground mounted test plant; ground impedanee; automatic monitoring;0引言随着我国航天事业的蓬勃发展，航天产品有着多样化、复杂化和系统化特点，对 总装测试厂房接地阻抗可靠性提出了非常苛刻的要求。为了考虑安全性和保密性, 总装测试厂房一般建在山区，山区土壤电阻率高、地质和气象环境复杂，容易对 厂房接地网腐蚀进而引起接地阻抗快速升高，造成产品测试过程屮不安全因数。 厂区其它系统专业进行地下管网改造也有可能对厂房接地

8、网造成人为破坏，若 不及时发现就有可能造成接地网失效，后果不堪设想。本文通过接地阻抗监测原 理、接地阻抗安全监测系统组成、接地阻抗安全监测系统实现、接地阻抗安全监 测系统测试四个方面论述，设计一套适合航天部门特点的总装测试厂房接地阻 抗监测系统。该系统可以对多个总装测试厂房接地阻抗数据进行时时采集，并自 动进行分析、保存和逐级上报，对厂房接地阻抗超过设定值主动报警，让测试技 术人员、安全生产管理机关和主管领导第一时间内知道每个厂房的接地阻抗情况, 确保了总装测试厂房接地阻抗的安全性。同时管理单位还可以利用该系统数据库对总装测试厂房接地系统多年运行数据进行对比分析，摸清总装测试厂房接地 系统运行

9、规律，为以后总装厂房接地系统建设提供数据参考。1接地阻抗监测原理1.1接地阻抗测试原理接地阻抗是在接地电极流1入大地时，接地电极电位v和1的比值。因此，为了 测量接地阻抗，首先要在接地电极注入一定的电流，这就需要设置一个可提供 电流回路的电流极（见图i中的电极c）,并用电流表测出该电流。为了用电压 表测岀接地电极的电位，则需要设置一个能测岀无穷远零位面处电位的电压极 （见图1屮的电极p）,这种测量接地阻抗方法的原理称为电压电流法。由于电 压极不可能真正设在无穷远处，而电流极的存在又会使地中电流场发生畸变从 而影响到地面电位分布引起误差，减小这种误差的方法有远离法、补偿法等多种 方法，但考虑总装

10、测试厂房接地网尺寸一般较大且处在土壤不均匀的山区，故 考虑采用远离法。图1接地阻抗测试原理图下载原图 1. 2远离法减小测试误差原理总装测试厂房接地网形状比较接近理想圆环电极模型，为了正确分析远离法减 小测试误差原理，假设总装测试厂房接地网为一理想圆环接地极，测试布线见 图2。图2中电流i所引起的电压极p处的电位可利用接地圆环周围空间任一点的电位 公式写出：airdayjdgp2 + b2 - 21 )grh cos a二以 14" j/v + xda2dgpb cos a由于dc1p>b,因此有（dgp-b） >0或（d+b） >2dgpb,于是可将 dg； +

11、x 展开级数逐项积分，得1155+ 25664(时(时 + b2p而圆环本身电位vo则为匕=斗竺(3)27t2b a式中3为圆环导体半径。由此可得到圆环电极电流i引起的gp之间电位差为：1+方于1050&加1155 。心阳64 (dg+屛 256 (吩 + 屛此时电流极(-1)所引起的gp间的电位差为:厂一邑(丄一丄2兀 dg drcgp之间总电位差为：5 b a "1 idce dpc 阳105 db' 1155 【泾胪64 ov+屛 256(s 胃由此测得圆环接地极电阻r为己知圆环的实际接地电阻r°8ba将式(7)和式(8)整理，并取d沪dpc=1/2

12、(%),得:(jvm105 pg/b4 1155 zv 胪64 ov 十亦 256 ov+胪*取dgc=10b, gdp二5b,代入式(9)进行整理得:0.102假设圆环的半径为40m,圆环导体等效半径为20mm,代入式(10)得：1-r/r。二0.031,如将电流极打在10倍圆盘半径处，所测得的接地电阻比实际 接地电阻r。小3. 1%,这在工程上完全町以接受的。由于总装测试厂房地网是网格状的，比较接近圆环，且厂房长度一般在60 150m之间，宽度在20m30m左右。假设一座总装测试厂房，长度为120m,宽 度为25m,地网等效圆半径为76. 03m,接地网导体等效半径为10mm,1-r/r。

13、二0.0291。因此只要按照图1布置接地线测试厂房接地网，测试值比实际 值r0小2.91%,就可以减小测试误差，满足工程需要。2接地阻抗安全监测系统硬件组成接地阻抗安全监测系统由硬件和软件两部分组成，可以实现测试分厂（部）、厂 （所）、院生安全产机关三级管理。硕件部分由监测主机、下位机、上位机、通 信链路及设备等组成，系统组成图见图3。电气部门蓄理）业区人頁管理）图3接地阻抗安全监测系统硬件组成图下载原图2.1监测主机监测主机供本地人工手动测量、定时自动测量、下位机和上位机命令测量三种方 式，以满足本地人工、自动和遥控测量三种需求，监测主机单元组成如图4。2.2下位机下位机为工业控制计算机，安

14、装有系统操作软件，可实现对监测主机所有控制 功能，并负责执行上位机遥信指令，按照指令操作监测主机的功能，处于中间 层。它可对接地阻阻抗监测主机测试的数据进行保存、分析和定期形成报表，并 通过人工和自动方式对来自监测主机原始数据以及各种分析报表上传至上位机， 起到上传下达的功能。c1c2>plp2图4监测主机单元方框图下载原图 2. 3上位机 上位机一般设置在中心机房内，为最高级别权限的用户，上位机安装监控所有 下位机的监测软件，通过与下位机间的通信获取测量数据，发送测量命令，发 送校吋同步命令等，同吋可以强制执行操作命令，可随吋访问监测主机和下位 机内保存的数据及报表，可随时下达测试任务

15、和强行终止任务等功能。2. 4通信链路及设备通信链路主要是指监测主机和下位机之间工业区内通信链路和下位机与上位机 之间的远距离专线。一点对多点链路连接可以采用工业485接口协议来实现。为 了防止雷击电磁脉冲干扰，建议工业区内通信链路宜采用光缆。3接地阻抗安全监测系统实现接地阻抗安全监测系统采用分层实现、分级管理的方式来实现。分层实现是指硬 件部分设计，硕件包括物理层（监测主机及其辅助设备）、传输层（通信链 路）、用户层（下位机、上位机）。分级管理是指软件功能上实现不同级别用户 权限上的管理，如本地监测为总装测试厂房使用部门（测试分厂（部）管理， 下位机监测为厂（所）技术安全机关管理，上位机监测

16、为厂（所）主管领导或 院安全生产机关管理，监测数据可以实行多级备份，避免丢失篡改。3. 1硬件实现硬件实现核心在监测主机，其余部分就是典型的工业仪表控制应用。如图4所示, 监测主机的异频恒流电源可输岀频率为45血或55fh的正弦波测试电流，且其输 出须与交流供电电源及地隔离，cl、c2为其隔离输出端子。其输出频率和电流 受微电脑系统控制。异频恒流电源采用高频链和spwm高频开关电源技术，这使 得整机体积和重量大大降低，故采用此种技术的接地阻抗测试仪比采用工频隔 离变压器技术的测试仪的重量要小得多，而且避免变压器形成磁路干扰，影响 测试精度。电压放大器为一个高输入阻抗放大器，它将pl、p2两端的

17、电压放大后送给滤波 器。i/v转换器将从电流互感器取得的电流信号转换为电压信号后送给滤波器。 考虑到现场干扰不仅存在50hz工频还含有其大量的高次谐波，故滤波器采用带 通滤波器用于滤除干扰信号，只允许45hz或55hz信号通过。上述为仪器主要的 模拟电路部分，根据处理的信号可分为两个通道即电流信号通道和电压信号通 道。这部分电路设计的好坏直接关系到仪器的测量精度和抗干扰能力。又考虑到 接地阻抗测量实际是测量电压和电流的比值，可以将这两路电路设计的尽量相 同，特别是滤波器可以采用相同的电路，这样两路模拟电路具有基本相同的温 漂和时间漂移，从而大大提高了仪器在各种环境在的测量精度。a/d转换器采用

18、12位双通道同步adc芯片，且自带采样/保持器，用于对滤波后 电压和电流信号进行同步采集，转换为数字信号后送给微电脑系统。微电脑系统的核心芯片采用高速微控制器mcu （旧称单片机），提供良好的运算 和通讯能力。液晶显不器米用160x128图形液晶显不模块，可以显不图形和汉 字。微型打印机采用前换纸式点阵热敏打印机，永远现场打印测量结果。rs-485 通讯模块用于实现仪器与上（下）位机的通讯连接。rs-485是一种采用平衡传 输方式的串行接口标准，允许总线上有多个发送器和接收器。rs-485标准具有 的特点有：由于采用差动发送/接收，故共模抑制比高，抗干扰能力强;传输速率 高，可达lomb/s;

19、传输距离远，若采用双绞线，在不用modem的情况下，当速率 传输为100kb/s吋，传输距离可达1.2km,若降低传输速率，传输距离可以更 远。测量仪器的测量数据都可以经通信线路传给上、下位机，上、下位机也可以通过 发送测量命令的方式对每路测量终端进行控制。这样就能实现远端多点测试。上 位机装载的监测软件由vc+编写，有良好的人机交互界面，管理人员通过简单 的操作就可以得到当前接地电阻值。也可以设置软件的工作方式实现每天定时定 点指定号机或多台下位机自动测量电阻并将数据发给上位机自动储存，当测量 数据超出正常范围时现场和监控屮心自动报警。这样便可以省去工作人员观察计 算机测量数据耗费时间体力的

20、现状。3. 2软件实现流程图5较为详细的描叙了下位机程序的主要流程，由图可见:监测主机下位机具有 定点测试，等待测试命令两种测试方式，其中测试命令是广义命令，包括上位 机发送的真实测试命令和现场手动按键测试两种情况。该程序在每次测量电阻后 都能显示计算后的结果，并能自动比较电阻是否在正常范围以内，若越界便自 动报警。该程序也能根据工作人员的要求选择发送测试数据与否，并能通过执行 校时命令使多台测试终端的测试结果与同一时间标准相对应，这样监控中心便 能得到测试结果一测试吋间的表格，这对比较同一吋间不同终端现场的接地电 阻值很有意义。对于同一现场接地电阻值随时间的变化曲线可以通过多次记录测 量数据

21、实现，这些都可以通过设置上位机软件的工作方式来实现。图6是上位机主动采集通信流程，显示了上位机操作上的优先权，通过上位机 操作可以抽查下位机用户报来数据真实性，可以第一手掌握总装测试厂房接地 阻抗真实数据，为所厂（所）主管领导或院安全机关决策提供参考。3. 3通信链路及设备实现数据和命令的通信，必须建立双方遵守的通信协议，并在协议基础上产生 双方认可的通信机制，图6给岀了本系统中的上位机主动采集的通信流程图。上 位机在校准时间后发送采集命令并开始侦听通信接口等待测量数据的到来，如 果能顺利收到正确数据便开始向下一号下位机发送采集命令，直到成功接收设 定采集路数的所有下位机的测量数据。如果上位机

22、某次发送采集命令后没有收到 数据就进入错误处理单元。没有收到数据可能有多种原因，比如通信链路出现故 障等。接收到数据但数据不正确也可能由多种影响因素，比如波特率偏移等。一 个可靠的系统不但木身的稳定性要好，也要有应对突发问题的容错能力，这里 的错误处理单元就是针对突发的通信故障而设计的。错误处理单元可以用来处理通信过程中的所有错误，由于本系统较高的稳定性这里可以采取简单的错误重 传机制，对于比较复杂的测量和通信环境，可以改变错误处理机制。此外，通信 协议的质量也直接影响通信的质量。启动adc,采集电流和电压波形图5监测主机软件流稈图下载原图木系统还考虑了另一种测量情况，即检测人员在现场按下监测

23、主机测试键。这种 情况下，监测主机测量完接地电阻值后会自动向下位机发送测量数据，下位机 根据协议判断数据正确与否，正确接收，错误进行相应处理，此种情况通信过 程流图和图6中相似，区别在于是下位机主动测量完后自动发送数据，不必等 待上位机发送校时和采集命令。多点监测依靠轮询方式实现，上位机按照图6的通信流程图对每台下位机依次 发岀采集命令，各下位机在测量完成后便依次将数据发送给上位机，上位机便 可收到所有下位机的测量结果。4系统的测试接地电阻自动监测系统可应用于各种需要监测接地阻抗的测试厂房，表1是在 某总装测试厂房接地电阻现场三台下位机在连续时间段内的测量数据，待测电 阻真值依次是0.61q, 0.58q, 0.