韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要:配電房環(huán)境監控系統大多存在設備離線(xiàn)造成實(shí)時(shí)性變差，容易早接線(xiàn)復雜、易出故障、維護麻煩等問(wèn)題，設計一種易于接線(xiàn)和維護的統一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機為核心研制了一種配電房環(huán)境監控系統主機，以I/O和RS485通信等形式采集配電房各種開(kāi)關(guān)量模擬量輸入，控制各種對象，同時(shí)采用標準RJ45接口設計了統一接口。應用結果表明，采用單片機進(jìn)行主機設計并采用RJ45接口解決了上述配電房環(huán)境監控系統存在的問(wèn)題，具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:配電房；環(huán)境監控；主機

1引言

各行各業(yè)的配電房安全穩定運行直接關(guān)系到用戶(hù)用電可靠性和穩定性。配電房分布面廣、設備量大、運行環(huán)境復雜、運維管理困難，人工巡檢耗時(shí)且存在監控盲區容易漏巡和誤巡。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，信息化技術(shù)在電力配電房環(huán)境監控系統中得到越來(lái)越廣泛的應用。通過(guò)IEC104規約遠程實(shí)時(shí)監控配電房各種環(huán)境參數，高效排查解決隱患并形成記錄，無(wú)需人工定期巡檢，運維效率高[3]。

目前許多環(huán)境監控系統采用工控機或者觸摸屏作為上位機。其RS485通信口通過(guò)485隔離器與帶有通信功能的開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊通信，采集開(kāi)關(guān)量輸入、控制開(kāi)關(guān)量輸出。同時(shí)，通過(guò)RS485通信線(xiàn)與帶有通信功能的六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊通信采集相關(guān)環(huán)境參數。所有采集數據在本地顯示或者通過(guò)聯(lián)網(wǎng)上傳到平臺供運維人員使用。此類(lèi)系統存在兩個(gè)主要問(wèn)題：（1）當相關(guān)485設備模塊離線(xiàn)時(shí)，上位機輪詢(xún)會(huì )造成采集實(shí)時(shí)性變差。（2）接口未規范統一：采用接線(xiàn)端子外接各種開(kāi)關(guān)量輸入輸出以及485外設，安裝調試也較容易造成線(xiàn)路接錯，容易出故障，并且維護麻煩。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種采用單片機的環(huán)境監控主機，通過(guò)單片機采集外部設備數據，工控機與單片機通信進(jìn)行監控，同時(shí)，主機采用統一的RJ45網(wǎng)絡(luò )接口，解決了因外設掉線(xiàn)引起采集延遲，接線(xiàn)復雜易錯、維護困難等問(wèn)題。

2環(huán)境監控系統組成

配電房環(huán)境監控主要完成如表1所示的環(huán)境參數采集（模擬量和開(kāi)關(guān)量）及輸出控制。

表1配電房常見(jiàn)環(huán)境監控參數及控制對象

圖1配電房環(huán)境監控系統框圖

配電房環(huán)境監控系統組成如圖1所示。根據表1所示的采集參數和控制對象，結合實(shí)際配電房環(huán)境監控需求，采用單片機設計配電房環(huán)境監控系統主機，通過(guò)I/O口采集煙霧、水浸、紅外入侵等開(kāi)關(guān)量輸入并控制風(fēng)機、照明、水泵、空調等對象，通過(guò)485通信采集六氟化硫氧氣、溫濕度等模擬量輸入，并將參數通過(guò)485通信傳給LED屏顯示，通過(guò)485通信實(shí)現觸摸屏上參數顯示、對象控制和報警記錄。同時(shí)，通過(guò)485通信與工控機連接，工控機與遠程平臺聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現環(huán)境參數數據的上傳，以及控制命令的下發(fā)。工控機可實(shí)現視頻監控系統、門(mén)禁系統的遠程監控。

3監控主機硬件設計

配電房環(huán)境監控系統主機以單片機為核心，根據采集參數和控制對象，設計了12路光耦隔離輸入，8路光耦隔離繼電輸出，2個(gè)RS485通信電路。

圖2配電房環(huán)境監控系統主機

3.1開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路

主機采用STC12C5A60S2單片機作為處理器。該單片機共有32個(gè)I/O口?；赟TC12C5A60S2單片機的主機集成光耦隔離輸入、光耦隔離繼電器輸出電路，無(wú)另行購買(mǎi)，節約成本，采集和控制的實(shí)時(shí)性更好。主機共設計了12路開(kāi)關(guān)量光耦隔離輸入，8路開(kāi)關(guān)量隔離繼電器輸出（其中4路采用RJ45接口用于直接控制空調控制器，4路通過(guò)接線(xiàn)端子外接接觸器控制照明、水泵、風(fēng)機等）。

開(kāi)關(guān)量隔離輸入電路及對應RJ45接口如圖3所示。煙霧、水浸、入侵等開(kāi)關(guān)量輸入傳感器的共同點(diǎn)是有四根線(xiàn)：供電12VDC的正極、供電12VDC的負極、公共端（一般接12VDC正極）、常閉觸點(diǎn)，統一采用RJ45的568B線(xiàn)序。兩兩雙絞的作為一個(gè)功能，預防其中一根斷路造成故障，具體功能分配如圖3左側所示。

圖3開(kāi)關(guān)量隔離輸入電路及對應RJ45接口

4路采用RJ45輸出的繼電器隔離輸出的電路圖如圖4所示.采用RJ45的568B線(xiàn)序與空調控制器連接，用于控制空調開(kāi)關(guān)；另外4路采用接線(xiàn)端子，方便外接接觸器，用于控制照明、水泵、風(fēng)機等。

圖4開(kāi)關(guān)量隔離繼電輸出電路及對應RJ45接口

3.2RS485通信電路

監控系統主機共有兩個(gè)485通信電路，一個(gè)與上位機（工控機）通信，另一個(gè)通過(guò)八路485隔離中繼器與從機通信。STC12C5A60S2單片機共有2個(gè)串口，符合系統兩個(gè)485的通信需求。圖5為監控系統主機的485通信電路1電路圖。該通信電路采用STC12C5A60S2單片機的串口1（RXD、TXD），隔離中繼器的485通信電路2電路圖類(lèi)似，不同點(diǎn)在于采用單片機的串口2（RXD2、TXD2）。

圖5監控系統主機485通信電路1電路圖3.3RS485通信接口

六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊、上位機USB轉485轉換器、觸摸屏、LED屏等均采用RS485通信。為了統一采用RS45接口，線(xiàn)序采用568B標準。具體功能對應的線(xiàn)序定義如下：供電12VDC的正極采用藍白/藍、12VDC的負極采用棕白/棕、通信線(xiàn)A采用橙白/綠白、通信線(xiàn)B采用橙/綠，共形成橙白/橙、綠白/綠2對A、B雙絞線(xiàn)，抗干擾能力有效提升。

4監控主機軟件設計

4.1軟件設計總體思路

配電房環(huán)境監控系統主機軟件設計采用模塊化設計思路，主要分為：開(kāi)關(guān)量輸入采集任務(wù)、開(kāi)關(guān)量輸出控制任務(wù)、環(huán)境監控聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)和基于Modbus-RTU協(xié)議的四個(gè)通信任務(wù)：模擬量輸入采集、LED屏顯示、觸摸屏從機通信、工控機主機通信。多任務(wù)各自獨立又相互協(xié)同，確保輸入采集的正確性和輸出控制的可靠性。

所有開(kāi)關(guān)量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機進(jìn)行采集或者控制。上位機是與單片機直接通信，因此，即使六氟化硫氧氣模塊等485設備離線(xiàn)或損壞，也不會(huì )造成采集參數實(shí)時(shí)性下降。

4.2開(kāi)關(guān)量輸入任務(wù)

在硬件上采用光耦隔離抗干擾的設計基礎上，開(kāi)關(guān)量輸入采集任務(wù)在軟件上設計采用軟件防抖、濾波等技術(shù)，能夠有效防止線(xiàn)路干擾引起煙霧、水浸、紅外入侵等輸入的誤報警和輸出控制的誤動(dòng)作，提高系統工作的可靠性。

4.3開(kāi)關(guān)量輸出控制任務(wù)

開(kāi)關(guān)量輸出控制任務(wù)是單片機根據工控機接收的遠程控制命令或觸摸屏下發(fā)的本地控制命令，進(jìn)行照明、風(fēng)機、水泵等開(kāi)關(guān)輸出控制。為了保證遠程控制的安全性，在單片機控制輸出任務(wù)加入約定的加密校驗碼（“控制密鑰"），確保不因網(wǎng)絡(luò )入侵而造成配電房的誤動(dòng)作。

4.4Modbus-RTU通信任務(wù)

模擬量輸入采集、LED屏顯示、觸摸屏從機通信、工控機主機通信均采用標準Modbus-RTU通信協(xié)議。程序設計時(shí)，分為四個(gè)通信任務(wù)。

模擬量輸入采集任務(wù)通過(guò)與六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊的485通信，根據傳感器通信協(xié)議，讀取相應寄存器內的SF6、O2、溫度、濕度等配電房模擬量環(huán)境參數。為了采集數據的可靠性，采用軟件濾波方式進(jìn)行抗干擾軟件設計：每次采集15個(gè)數據，冒泡排序后取中間三個(gè)數據的平均值。此外，六氟化硫氧氣模塊需要定期進(jìn)行校正。因此，需要在該任務(wù)添加校正程序，根據上位機發(fā)送的校正命令，根據六氟化硫氧氣模塊的校正協(xié)議進(jìn)行通信校正。

LED屏顯示任務(wù)是采用單片機將采集的SF6、O2、溫度、濕度等參數通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議，寫(xiě)入LED顯示屏。為了提高通信效率，采用批量寫(xiě)入LED顯示屏對應寄存器，從而實(shí)現在LED顯示屏上滾動(dòng)顯示相關(guān)環(huán)境監控參數，正常數據采用綠色顯示，異常數據采用紅色顯示。

觸摸屏從機通信任務(wù)中，單片機作為主機，觸摸屏作為從機，單片機通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議批量將數據轉發(fā)給觸摸屏顯示。同時(shí)定期讀取觸摸屏上照明、風(fēng)機、水泵等控制按鈕的狀態(tài)，控制相關(guān)輸出的標志位，從而在開(kāi)關(guān)量輸出控制任務(wù)中執行相關(guān)控制。

在工控機主機通信中，單片機作為從機，工控機作為主機通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議采集單片機中已經(jīng)采集的各種開(kāi)關(guān)量、模擬量環(huán)境參數，通過(guò)IEC104電力規約上報電力公司物聯(lián)網(wǎng)平臺。同時(shí)，電力運維人員在A(yíng)PP或者PC端控制命令通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)到工控機，工控機通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議向單片機下發(fā)控制命令，單片機根據命令控制相關(guān)輸出的標志位，執行相關(guān)控制任務(wù)。

4.5聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)

為了實(shí)現配電房環(huán)境參數和輸出控制對象的聯(lián)動(dòng)，編寫(xiě)聯(lián)動(dòng)程序。聯(lián)動(dòng)程序可以與上位機或者觸摸屏進(jìn)行閾值等參數設置的交互，從而在原有遠程測控的基礎上，實(shí)現配電房環(huán)境參數的本地智能化聯(lián)動(dòng)控制。

當六氟化硫濃度到達某個(gè)閾值，自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機排出六氟化硫氣體；當溫度濕度達到某個(gè)閾值，空調自動(dòng)打開(kāi)調節溫度濕度；當水浸傳感器監測到有淹水時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)水泵進(jìn)行排水。

以上相關(guān)報警信息也可以在配電室門(mén)上LED屏上實(shí)現實(shí)時(shí)報警顯示，以防配電運維人員進(jìn)入造成六氟化硫中毒等。

5安科瑞配電室環(huán)境監控系統

5.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環(huán)境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風(fēng)機、水泵）、門(mén)禁監控子系統（讀卡器、開(kāi)門(mén)按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

5.2應用場(chǎng)所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1實(shí)時(shí)監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測配電室環(huán)境參數信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2數據查詢(xún)

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設備的運行數據。

5.4.3曲線(xiàn)查詢(xún)

可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

5.4.4運行報表

查詢(xún)配電室內設備的運行數據報表。

5.4.5實(shí)時(shí)告警

具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6歷史事件查詢(xún)

能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統計、事故分析。 

5.4.7用戶(hù)權限管理

設置了用戶(hù)權限管理功能，可以定義不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限。

5.4.8網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

5.4.9遙控功能

可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

5.5系統硬件配置

6應用與總結

配電房環(huán)境監控系統主機采用STC12C5A60S2單片機進(jìn)行設計，接口統一，采用1U機柜，接線(xiàn)美觀(guān)整齊，如圖6中間所示。

圖6配電房環(huán)境監控系統主機應用實(shí)物圖

本文所設計的配電房環(huán)境監控系統主機共有12路開(kāi)關(guān)量隔離輸入RJ45接口（可任意接入煙霧、水浸、紅外入侵等傳感器），8路開(kāi)關(guān)量輸出控制（其中4路為空調控制RJ45接口，另外4路為風(fēng)機、照明、水泵等控制接線(xiàn)端子接口），6路485通信RJ45接口（六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊、LED模塊各2個(gè)），1路觸摸屏從機485通信RJ45接口，以及1個(gè)工控機主機485通信RJ45接口。主機真正實(shí)現了電路和接口的模塊化、標準化設計，可靠性大大提升，故障率大大降低，接線(xiàn)整齊美觀(guān)容易維護。

此外，工控機作為上位機與監控主機通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或者4G數據流量，采用IEC104電力規約與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，實(shí)現遠程測控。

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用。