基于专家系统的MNS 型低压抽屉式开关柜智能监控系统的设计研究

0 引言

随着我国国民经济的快速发展和能源结构的不断优化调整，各行各业电气系统的应用十分广泛。特别是近几年来伴随数字化、自动化、智能化的不断普及，各种各样的电气系统应运而生。MNS 型低压抽屉式开关柜提供了一种可低压配电、自动控制的良好解决方案，可用于交流电50 Hz～60 Hz、额定工作电压400 V 及以下的供电系统，以及发电、输电、配电、电能转换和电能消耗设备的控制等场合。随着该项技术的不断升级、改进，目前其具有如下显著特点：模块化设计、组装，多功能，寿命长，机械强度好，维护性好，体积小，外观整齐等。

即使是最先进的MNS 型开关柜，也难以满足目前数字工厂、智能工厂对电气控制系统的个性化需求：某生化车间，要求空气清洁度很高，尽量避免人员出入；某些发电设施空间，可能存在辐射，要求电气系统工作可靠，避免人员进入等；某些智能工厂要求关键柜体的主要参数必须按既定协议传送至中央控制系统等。因此，开关柜相关应用设计亟须新的突破，在自动化、智能化应用中，不仅需满足模块化、可靠性等基本要求，还需具备开关柜运行状态监测、故障预警与分析、信息采集与处理、信息交互等功能。

1 智能监控技术

1.1 电气元器件工作环境监控技术

电气元器件工作环境主要考虑环境温度、湿度、污染程度（以PM10、PM2.5为主要考虑指标）等。

随着科技的发展和自动化水平的提高，温度的自动监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失所采取的重要措施之一。特定场合下由于监测分站比较分散、偏远，若采用传统的温度测量方式，其周期长、成本高，而且测量人员必须到现场进行测量，工作效率低且不便于管理［1］。保持最佳工作温度不仅能有效延长电子元器件的寿命，还能通过环境温度的不寻常变化预测早期故障。对于工作环境温度有特殊要求的工作装置，环境温度的检测与控制系统尤为关键。

环境温度目前常用的电子测量方法有：热敏电阻测量法、热电偶采集测量法、红外温度测量法［2］。不同的测量方法各有优缺点，根据电气系统的实际需求可选用技术成熟的不同类型传感器。

常见的空气湿度测量方法有：利用物体几何尺寸变化的测湿法，包括干湿球法、冷凝露点法、氯化锂露点法等；电湿度测量法，包括电解法、动态法、静态法等；电子式传感器法，以及其它测试方法［3］。同样，不同的测量方法各有优缺点，根据电气系统的实际需求可选用技术成熟的不同类型传感器。

电气系统对污染程度通常没有严格的量化指标要求，在工程实际中通常是设计一套空滤加正压管理系统改善电气系统的工作环境的扬尘污染，也可通过布袋除尘器、静电除尘器结合扬尘检测系统、控制中枢系统达到定量净化要求［4］。

1.2 电气元器件工作状态监控技术

电气元器件工作状态主要有是否工作、工作是否正常、工作模式判定、信号指示状态等。电气元器件的工作状态可通过电流、电压信号及其组合进行状态识别。另外针对电路短路、电压击穿等意外情况，可采用红外温度测量仪识别关键部位的温度变化，当出现短时温度急剧变化时，说明相关零部件存在故障隐患，可提示进行维保。

电气元器件工作状态的监控方式包括集中化监控方式、远程监控方式、现场电缆总线监控方式。

（1）集中化监控方式。

通过集中化监控能够有效维持设备运行与检测效果，该项功能对于监控的要求比较低，可高效完成系统设置。然而因集中控制功能需要借助处理器实现，监控对象的增加或减少都会使主机设备电缆量增加，相应地需要加大投资成本。当电缆线长度较长时，也会对系统运行可靠性造成影响。所以必须合理设计设备接线，以此保护线路的安全运行。

（2）远程监控方式。

该方式能够显著地降低成本，还能减少设备与电缆等材料的使用数量，提升监控灵活度。实时监控总线通信设备，能够确保电气自动化系统的运行稳定性，且有助于降低运行成本。

（3）现场电缆总线控制方式。

针对互联网技术来说，通过现场电缆总线控制方式，可以实现电气自动化系统控制，确保整个运行过程的智能化，还能够促进电气自动化设备的发展，降低网络系统控制能耗。在控制现场系统总线时，必须确保系统设计的准确性，基于不同功能采用相应的监控方法，确保系统监控问题的处理高效性。此外，电气自动化系统监控技术还能够对现场总线实施设备数据隔离，将其连接到监控系统线路中，可降低电气控制的自动化管理成本。针对独立设备来说，需要利用网络实现合理化连接，以确保网络监控的灵活性，并有助于提升系统可靠性，避免设备拒动。

1.3 智能监控技术组成与原理

MNS 型低压抽屉式开关柜智能监控系统主要包含工作环境感知系统、工作状态感知系统、智能分析系统（专家库）、执行系统、开关柜信号采集处理控制器和开关柜信号交互处理器系统六部分组成。系统的构架如图1 所示。开关柜信号采集处理控制器将所采集的环境信号和工作信号进行模数转换和初步分析，再通过现场总线将按一定条件准备好的数据包传送至智能分析系统，经过智能分析系统处理后，再通过现场总线通知执行系统进行空调系统、正压保持系统和湿度保持系统等对智能控制系统的调节响应动作。

图1 智能监控系统架构
Fig.1 Architecture of intelligent monitoring system

2 专家系统及智能工厂监控设计

2.1 专家系统

专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决需要人类专家处理的复杂问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统［5］，其系统框架图如图2 所示。

图2 专家系统框架图
Fig.2 Expert system framework diagram

本项目采用的智能分析系统是与基于专家系统的逻辑框架设计的，其设置的专家库包含经验数据、分析算法及结果数据打包模块。其功能包括运行状态评分、潜在故障预警、健康等级评分、工作寿命预测等。智能分析系统可基于时间累积自学习更新，根据设备高效稳定工作期间的统计数据与特定时间差的数据进行比较，判定系统状态、预估工作寿命，并进行改善措施决策，再将打包好的数据定期反馈至开关柜信号采集处理控制器。开关柜信号采集处理控制器根据智能分析系统的反馈数据执行下一步动作。

2.2 智能工厂监控技术

智能工厂监控技术，使用数据采集、设备监控、数据传输、设备等设备组成对智能工厂中各部分进行组网，实时采集智能工厂中产生的数据，全面掌握制造过程数据，分析预测解决生产过程出现或可能出现的异常情况，能实现远程控制的精细化、信息化、智能化管理，有助于制造生产过程达到高度自动化［6-7］。

为实现上述目标，本项目所建立的智能工厂的监控系统具有如下特点：①准确性，确保数据在采集、传输、存储过程中的准确性和完整性；②可靠性，设计应符合行业标准，保证系统不受外界干扰影响，采集到的数据不失真；③实时性，利用工业以太网，提高采集到数据的传输速度，使系统有较快的响应速度，便于进行监测管理；④标准性，确保系统的数据采集各软硬件接口均符合国家标准，采用标准化接口，便于系统维护和升级；⑤可扩展性，通过将网络化可编程控制器连接在智能工厂内就近的网络接口上，既能实现在各监控点实时采集数据、分散监管，又能将数据传回工作站进行统一集中网络化管理。

智能工厂监控系统的应用，可实现企业全过程监控，可为工业生产节省人力物力资源消耗，降低运营成本，并在一定程度上提高工业生产效率［8-10］。

3 MNS 型低压抽屉式开关柜

本项目采用的开关柜为组装式模数化柜型，使用插入式及抽出式断路器，以固定分隔的方式进行安装，一次、二次间分隔，进线与出线分隔，出线端子间各项分隔，以达到可靠运行保证安全，维护方便，接线顺畅的要求。低压接地系统采用TN-S 系统，三相5 线制配置，以达到具有良好的导电连续性，以保证操作人员安全。柜体工作区可根据功能需求进行合理划分，如图3 所示。

图3 柜体工作区划分
Fig.3 Division of cabinet working area

柜内所有设备及元器件均能在前后侧维护。电动机单元面板设置有开（绿）/停（红）按钮、停止（绿）/运行（红）指示灯。柜内250 A 以上空气开关、100 A 以上接触器的电气连接均使用铜排连接。

柜内常用的一次电器元件（主回路设备）包括如下设备：真空断路器，塑壳断路器，接触器，电流互感器，软启动。柜内常用的二次元件（二次设备或辅助设备）包括如下设备：电流表，电压表，熔断器，转换开关，信号灯，按钮等。

为保证工作可靠性，本项目在抽屉柜设计时进行了如下设置：

（1）抽屉柜在推入或拉出时应灵活，机械闭锁可靠，同规格的抽屉可以互换；

（2）抽屉柜设有运行、试验、退出三种位置及其标志，并设有连锁装置；

（3）抽屉主回路插头为铲式接插件，插头处温升不允许超过规范标准；

（4）采用铜母排三相五线（L1、L2、L3、N、PE），对母线全长搪锡处理；

（5）每柜设有一块阻燃型的塑料功能板（见图4），安装在主母线室与电器室之间，可起到严密的隔离作用，可有效防止开关元件因故障引起的飞弧与母线之间短路造成的事故；

图4 阻燃隔板布置
Fig.4 Layout of flame retardant partition

（6）上下层抽屉之间采用带通风孔的镀锌金属底板相隔离，较小的8E/4、8E/2 抽屉四周均为阻燃型工程塑料件，使相邻回路之间有较强的绝缘隔离作用。

MNS 型抽屉柜分为以下两种：动力中心柜（PC），采用框架断路器型断路器；电动机控制中心柜（MCC），由大小抽屉组装而成，各回路主开关采用高分断塑壳断路器或旋转式带熔断器的负荷开关。本项目柜体实物如图5 所示。

图5 不同柜型实物
Fig.5 Different types of cabinets

本项目采用的MNS 型开关柜包括五种标准尺寸，都是以8E（200 mm）高度为基准，一个柜体中作单一组装最多容纳抽屉单元数见表1。柜体骨架为特殊的C 型材（模数为25 mm），采用三通连接，通过锁紧自攻螺钉和高强度螺栓紧固组装而成，柜体采用2 mm 冷轧钢制作。柜内各单元设置标签框（有设备位号、设备名称、容量），柜后设有设备编号。盘柜门设置按规范要求的软导线可靠接地。盘柜门设有密封圈，盘、柜的底部进出电缆安装完后，进行封堵，防水、防潮、防尘。抽屉单元具有特有的机械联锁装置，以防止误操作和带负荷推拉抽屉，通过操作手柄控制，可保证准确合闸、试验、抽出和隔离位置。MNS 型开关柜配置一组主母线，安装在开关柜的后部母线室，母线安装在柜后上部。配电母线（垂直母线）组装在阻燃型塑料板中，既可防止电弧引起的放电，又能防止人体接触，通过特殊的连接件与主母线连接。柜内设独立的PE 接地系统和N 中性导体，二者贯穿整个装置，安装在柜底部。各回路接地或接零且就近连接。框架结构全部采用自攻螺钉固定，具有较高的接地可靠性。

表1 抽屉类型与单元数对应表
Tab.1 Corresponding table of drawer type and unit number

4 实例应用

目前市场上智能型传感器已有较成熟产品，结合项目的需求和MNS 型低压抽屉式开关柜特点，本项目采用的传感器主要有下列三种。

（1）DSl8820 数字温度传感器，该传感器外壳采用的铝合金可抗氧化。此传感器可测量温度和相对湿度，可实现数字输出，便于系统集成处理。

（2）SPS30 颗粒物传感器，其具有工位稳定、测量精度高的优点，可实现数字输出。该传感器的红外测温仪能够精确测量接线柱的温度，并以数字信号形式传送至控制器。

（3）数字湿度传感器SHT85，该传感器是Sensirion 公司出品的湿度传感器，其与周围自然环境保持最佳热耦合并可消除来自主板上的潜在热源影响。SHT85 配备了一层PTFE 膜，用于按照IP67 标准保护传感器开口免受液体和灰尘污染，且不会影响相对湿度信号的响应时间。上述特性使此传感器可在喷水和多尘的环境下使用，在各种应用环境下便捷集成，并保证设备最佳性能。

本研究采用的智能监控技术支持的低压控制系统及工厂管理系统组成如图6 所示。通过使用数字通信技术，把智能型传感器与开关柜相对应的信号交互处理器对应连接，通过智能工厂管理系统对相对应的电气、液压系统发出指令进行相对应的操作。在此过程中，相关信息交互协议必须与智能工厂要求匹配。

图6 智能工厂管理系统组成
Fig.6 Composition of intelligent factory management system

根据某生化车间低压配电系统需求，应用所提设计方案，进行适当参数设置。相比传统电控柜，本文所提的智能监控应用技术带来的显著益处见表2。由表2 中对比数据可知，虽然智能化监控技术在一次采购成本上略高于传统电控柜，但是从工厂长期效益来看，智能化监控技术支持的MNS 型开关柜能可为工厂带来潜在收益。

表2 智能监控技术效益表
Tab.2 Benefit table of intelligent monitoring technology

5 结论

智能技术的应用在工厂自动化、智能化发展中起着至关重要的作用。智能监控在绝大多数电气设备中均有应用需求，且技术可行，配套成熟。不同设备基础数据的采集与处理可由设备供应商自行配置，有利于减轻甲方工厂工作负担，简化智能管理系统构架。基于双方认同的交互协议可提高信息传输效率，降低故障发生概率。智能化监控技术的应用有利于甲方工厂提高设备运行效率，减少设备巡检频率、降低维护成本，其长期效益更显著。