Anwendung des Hall-Stromsensors zur Fernüberwachung vonkontinuierlichLadungingUSV-Batterie
Zusammenfassung: Angesichts des häufig zu hohen Erhaltungsladestroms der USV-Batterie unbemannter Plattformen werden Aufbau und Funktionsweise eines USV-Systems erläutert. Durch den Einsatz von Hall-Stromsensoren und einer DCS-Konfiguration wird die Fernüberwachung des Erhaltungsladestroms der USV-Batterie sowie die Alarmierung bei Stromanomalien ermöglicht, was den automatisierten Managementprozess unbemannter Plattformen fördert.
Schlüsselwörter: Hall-Stromsensor; USV; Batterie; DCS
1 Übersicht
Eine unbemannte Offshore-Ölförderplattform ist mit einer 20-kVA-USV-Anlage ausgestattet. Seit Inbetriebnahme der Plattform war der Erhaltungsladestrom der USV-Batterie wiederholt zu hoch, was zu einer anhaltenden Überhitzung der Batterie führte. Dies beeinträchtigte den ordnungsgemäßen Betrieb der USV erheblich, gefährdete die Stromversorgungssicherheit der Ölförderplattform und kann zu Geräteschäden oder sogar Bränden führen. Um diese potenziellen Gefahren für Geräte und Sicherheit zu vermeiden, wurden erhebliche personelle und materielle Kosten investiert, die Inspektionsfrequenz der unbemannten Plattformen erhöht und der Erhaltungsladestrom der Batterie regelmäßig gemessen, um deren Betriebszustand zu beurteilen. Das Signal des Erhaltungsladestroms wird mittels technischer Mittel ferngesteuert an das Prozessleitsystem (DCS) der zentralen Leitwarte übertragen, was eine Echtzeitüberwachung des Stromwerts und die Alarmierung bei Stromanomalien ermöglicht.
2. Aufbau und Funktionsprinzip der USV
2.1 Struktur des UPS
Die auf dem Bahnsteig installierte USV-Anlage befindet sich im Notstromverteilerraum auf der Zwischenebene und hat eine Kapazität von 20 kV·A. Sie besteht aus zwei USV-Schränken, einem Bypass-Stromverteilerschrank, einem Lastverteilerschrank und einem Akkumulator mit 170 Nickel-Cadmium-Batterien. Der Akkumulator ist im Batterieraum installiert und enthält als Hauptkomponenten Gleichrichter, Wechselrichter, statischen Umschalter, Batterie und weitere Bauteile.
1) Gleichrichter. Er wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Gleichrichter wird von seinem internen Mikroprozessor gesteuert, um den Wechselstrom aus dem Verteilerkasten in hochwertigen Gleichstrom umzuwandeln. Dieser wird gefiltert und anschließend dem Wechselrichter zugeführt, um den Akku zu laden.
2) Wechselrichter. Im Gegensatz zum Gleichrichter wandelt der Wechselrichter den vom Gleichrichter erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Seine Stromversorgung erfolgt entweder über den Gleichrichter oder eine Batterie. Der Wechselrichterstrom versorgt die angeschlossenen Geräte mit der benötigten hochwertigen, dauerhaften und stabilen Wechselspannung in Sinusform.
3) Statischer Umschalter. Seine Funktion besteht darin, kurzzeitige Stromunterbrechungen sowie Lichtbögen, Zündungen und andere Phänomene zu verhindern, die durch das Umschalten zwischen Normalstrom und Bypassstrom verursacht werden. Durch den Einsatz des statischen Schalters wird die Schaltzeit des Umschalters deutlich auf unter 0,2 ms reduziert.
4) Akku. Im Falle eines Ausfalls der Hauptstromversorgung oder des Gleichrichters dient der Akku als Notstromversorgung und versorgt die Verbraucher über den Wechselrichter mit Strom.
2.2 Funktionsprinzip des Ladens und Entladens der USV-Batterie
Der Lade- und Entladevorgang der USV-Systembatterie ist ein Energieumwandlungsprozess. Bei normaler Netzspannung wird elektrische Energie in chemische Energie der Batterie umgewandelt. Die Hauptstromversorgung versorgt die Verbraucher mit Strom und lädt die Batterie. Das Ladediagramm der USV-Systembatterie ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei einem plötzlichen Stromausfall der Hauptstromversorgung wird die chemische Energie der Batterie in elektrische Energie umgewandelt. Die Batterieentladung versorgt wichtige Verbraucher mit Strom, um Produktionsausfälle zu minimieren. Das Batterieentladediagramm des USV-Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. Nach vollständiger Ladung reicht die Kapazität der Batterie aus, um alle vom USV-System versorgten elektrischen Geräte gleichzeitig 30 Minuten lang mit Strom zu versorgen.
3. Anwendung eines Hall-Stromsensors im Fernüberwachungsdesign des Erhaltungsladestroms einer USV-Batterie
3.1 Funktionsprinzip des Hall-Stromsensors
Der Hall-Stromsensor dient hauptsächlich der Trennung und Umwandlung von Wechsel-, Gleich-, Impuls- und anderen komplexen Signalen. Durch den Hall-Effekt können die umgewandelten Signale direkt von verschiedenen Datenerfassungsgeräten wie Prozessleitsystemen (DCS), AD-Wandlern, digitalen Signalprozessoren (DSP), speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Sekundärinstrumenten erfasst werden. Er zeichnet sich durch schnelle Reaktionszeit, einen großen Strommessbereich, hohe Genauigkeit, hohe Überlastfähigkeit, gute Linearität und hohe Störfestigkeit aus.
3.2 Technische Parameter des Hall-Stromsensors
| Parameter | Index | ||
| Halle geöffnet / Halle geschlossen | Saal | ||
| Ausgabe | Nennwert | Spannung: ±5 V/±4 V | Stromstärke: 4～20mA |
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| Nullpunktspannung (Strom) | Spannung: ±20 mV | Stromstärke: ±0,05 mA |
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| Offsetspannungs- (Strom-) Drift | Spannung: ≤±1,0 mV/℃ | Stromstärke: ±0,04 mA/℃ |
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| Linearität | ≤0,2%FS | |
| Leistung | DC ±15 V | 24 V Gleichstrom | |
| Bandbreite | 0～20kHz |
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| Ansprechzeit | ≤5µs | ≤1ms | |
| Druckfestigkeit | Zwischen Eingang, Ausgang und Netzteil ist eine Wechselspannungsfestigkeit von 2500 V zulässig. | ||
| Klasse | 1.0 | ||
| Umfeld | Temperatur | Betriebstemperatur: -25 °C bis +70 °C; Lagertemperatur: -40 °C bis +85 °C | |
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| Luftfeuchtigkeit | ≤95 % relative Luftfeuchtigkeit, Orte ohne Kondensation und korrosive Gase | |
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| Höhe | ≤3500 m | |
3.3 Hall-Stromsensor an DCS angeschlossen
Ein Hall-Stromsensor wandelt den gemessenen Hauptstrom direkt und linear in ein Gleichstromsignal von 4 bis 20 mA um. Er ist am unteren Anschluss des Batterieleistungsschalters im USV-Verteilerschrank des Notverteilungsraums installiert und wandelt den Erhaltungsladestrom der Batterie in ein 4 bis 20 mA Gleichstromsignal um, das von der DCS-Analogkarte verarbeitet werden kann.
Definieren Sie den neu zugänglichen 4–20-mA-Analogeingangskanal im übergeordneten Rechner der Leitwarte, um Parameterbereich, Alarmwert und Verlauf zu konfigurieren und ihn dem entsprechenden Controller zuzuordnen. Konfigurieren Sie mithilfe der Bildkonfigurationssoftware Parameter, Bilder und Grafiken und installieren Sie das Programm, um die Fernüberwachungsfunktion der Leitwarte für den Erhaltungsladestrom der USV-Batterie zu realisieren. Vergleichen Sie abschließend den vor Ort gemessenen Erhaltungsladestrom der Batterie mit dem auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle des DCS angezeigten Wert, um die Genauigkeit der vom DCS erfassten Werte zu bestätigen.
3.4 Anwendungseffekt
Durch die Hinzufügung eines Hall-Stromsensors wird die Erfassung des Erhaltungsladestroms der USV-Batterie der unbemannten Plattform realisiert. Die Fernüberwachung des Erhaltungsladestroms der Batterie durch Gleichrichter wird durch Verlegen von Kabeln und Konfigurieren des zentralen Kontrollraums ermöglicht, was die Steuerung wichtiger Geräte der unbemannten Plattform verbessert.
Die Betriebsdaten des Batterieladestroms werden ferngesteuert an das Prozessleitsystem (DCS) übertragen, sodass das Personal in der zentralen Leitwarte den Wert des Batterieladestroms sofort überwachen kann. Gleichzeitig wird durch die Festlegung eines Alarmwerts bei einem anormalen Batterieladestrom ein Alarm ausgelöst, um frühzeitig informiert zu werden und ausreichend Zeit für Notfallmaßnahmen zu haben. Das Projekt reduziert effektiv die Inspektionshäufigkeit der unbemannten Plattform, senkt die Personal- und Materialkosten für deren Betrieb, beugt Batterieschäden durch anormalen Ladestrom und sogar Plattformbränden vor und fördert den automatisierten Betrieb der Plattform.
4. Schlussfolgerung
Der Hall-Stromsensor wandelt den Erhaltungsladestrom der Batterie in ein 4–20 mA-Stromsignal um, das von der DCS-Analogwertkarte verarbeitet werden kann. So wird der Erhaltungsladestrom der USV-Batterie drahtlos an das DCS übertragen. Der Bediener kann den Wert des Erhaltungsladestroms schnell und intuitiv auf dem Bedienbildschirm des DCS ablesen. Das Projekt verfügt über eine solide theoretische und hardwaretechnische Grundlage. Es besitzt nicht nur einen hohen Anwendungswert, sondern hat auch eine breite gesellschaftliche Relevanz und bietet praktische Referenzerfahrung für die zukünftige Online-Überwachung von Feldgeräten.
Veröffentlichungsdatum: 17. August 2022
