淺談配電房環境監控系統主機研究與設計
1引言
各行各業的配電房安全穩定運行直接關系到用戶用電可靠性和穩定性配電房分布面廣設備量大運行環境復雜運維管理困難人工巡檢耗時且存在監控盲區容易漏巡和誤巡隨著物聯網技術的不斷成熟和發展信息化技術在電力配電房環境監控系統中得到越來越廣泛的應用通過IEC104規約遠程實時監控配電房各種環境參數高效排查解決隱患并形成記錄無需人工定期巡檢運維效率高[3]
目前許多環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485隔離器與帶有通信功能的開關量輸入輸出模塊通信采集開關量輸入控制開關量輸出同時通過RS485通信線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環境參數所有采集數據在本地顯示或者通過聯網上傳到平臺供運維人員使用此類系統存在兩個主要問題（1）當相關485設備模塊離線時上位機輪詢會造成采集實時性變差（2）接口未規范統一采用接線端子外接各種開關量輸入輸出以及485外設安裝調試也較容易造成線路接錯容易出故障并且維護麻煩
為解決上述問題本文提出一種采用單片機的環境監控主機通過單片機采集外部設備數據工控機與單片機通信進行監控同時主機采用統一的RJ45網絡接口解決了因外設掉線引起采集延遲接線復雜易錯維護困難等問題
2環境監控系統組成
配電房環境監控主要完成如表1所示的環境參數采集（模擬量和開關量）及輸出控制
表1配電房常見環境監控參數及控制對象
圖1配電房環境監控系統框圖
配電房環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際配電房環境監控需求采用單片機設計配電房環境監控系統主機通過I/O口采集煙霧水浸紅外入侵等開關量輸入并控制風機照明水泵空調等對象通過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485通信傳給LED屏顯示通過485通信實現觸摸屏上參數顯示對象控制和報警記錄同時通過485通信與工控機連接工控機與遠程平臺聯網實現環境參數數據的上傳以及控制命令的下發工控機可實現視頻監控系統門禁系統的遠程監控
3監控主機硬件設計
配電房環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RS485通信電路
圖2配電房環境監控系統主機
3.1開關量輸入輸出電路
主機采用STC12C5A60S2單片機作為處理器該單片機共有32個I/O口基于STC12C5A60S2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另行購買節約成本采集和控制的實時性更好主機共設計了12路開關量光耦隔離輸入8路開關量隔離繼電器輸出（其中4路采用RJ45接口用于直接控制空調控制器4路通過接線端子外接接觸器控制照明水泵風機等）
開關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關量輸入傳感器的共同點是有四根線供電12VDC的正極供電12VDC的負極公共端（一般接12VDC正極）常閉觸點統一采用RJ45的568B線序兩兩雙絞的作為一個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開關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線序與空調控制器連接用于控制空調開關另外4路采用接線端子方便外接接觸器用于控制照明水泵風機等
圖4開關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485通信電路一個與上位機（工控機）通信另一個通過八路485隔離中繼器與從機通信STC12C5A60S2單片機共有2個串口符合系統兩個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（RXDTXD）隔離中繼器的485通信電路2電路圖類似不同點在于采用單片機的串口2（RXD2TXD2）
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接口線序采用568B標準具體功能對應的線序定義如下供電12VDC的正極采用藍白/藍12VDC的負極采用棕白/棕通信線A采用橙白/綠白通信線B采用橙/綠共形成橙白/橙綠白/綠2對AB雙絞線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關量輸入采集任務開關量輸出控制任務環境監控聯動控制任務和基于Modbus-RTU協議的四個通信任務模擬量輸入采集LED屏顯示觸摸屏從機通信工控機主機通信多任務各自獨立又相互協同確保輸入采集的正確性和輸出控制的可靠性
所有開關量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機進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設備離線或損壞也不會造成采集參數實時性下降
4.2開關量輸入任務
在硬件上采用光耦隔離抗干擾的設計基礎上開關量輸入采集任務在軟件上設計采用軟件防抖濾波等技術能夠有效防止線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作提高系統工作的可靠性
4.3開關量輸出控制任務
開關量輸出控制任務是單片機根據工控機接收的遠程控制命令或觸摸屏下發的本地控制命令進行照明風機水泵等開關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加入約定的加密校驗碼（控制密鑰）確保不因網絡入侵而造成配電房的誤動作
4.4Modbus-RTU通信任務
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通信協議程序設計時分為四個通信任務
模擬量輸入采集任務通過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議讀取相應寄存器內的SF6O2溫度濕度等配電房模擬量環境參數為了采集數據的可靠性采用軟件濾波方式進行抗干擾軟件設計每次采集15個數據冒泡排序后取中間三個數據的平均值此外六氟化硫氧氣模塊需要定期進行校正因此需要在該任務添加校正程序根據上位機發送的校正命令根據六氟化硫氧氣模塊的校正協議進行通信校正
LED屏顯示任務是采用單片機將采集的SF6O2溫度濕度等參數通過Modbus-RTU協議寫入LED顯示屏為了提高通信效率采用批量寫入LED顯示屏對應寄存器從而實現在LED顯示屏上滾動顯示相關環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中單片機作為主機觸摸屏作為從機單片機通過Modbus-RTU協議批量將數據轉發給觸摸屏顯示同時定期讀取觸摸屏上照明風機水泵等控制按鈕的狀態控制相關輸出的標志位從而在開關量輸出控制任務中執行相關控制
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Modbus-RTU協議采集單片機中已經采集的各種開關量模擬量環境參數通過IEC104電力規約上報電力公司物聯網平臺同時電力運維人員在APP或者PC端控制命令通過物聯網平臺下發到工控機工控機通過Modbus-RTU協議向單片機下發控制命令單片機根據命令控制相關輸出的標志位執行相關控制任務
4.5聯動控制任務
為了實現配電房環境參數和輸出控制對象的聯動編寫聯動程序聯動程序可以與上位機或者觸摸屏進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現配電房環境參數的本地智能化聯動控制
當六氟化硫濃度到達某個閾值自動開啟風機排出六氟化硫氣體當溫度濕度達到某個閾值空調自動打開調節溫度濕度當水浸傳感器監測到有淹水時自動打開水泵進行排水
以上相關報警信息也可以在配電室門上LED屏上實現實時報警顯示以防配電運維人員進入造成六氟化硫中毒等
5安科瑞配電室環境監控系統
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（燈光空調除濕機風機水泵）門禁監控子系統（讀卡器開門按鈕磁力鎖）安防監控子系統（雙鑒檢測器）
5.2應用場所
適用于軌道交通工業建筑學校商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動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實時監測
能夠顯示配電室設備的運行狀態實時監測配電室環境參數信息實時顯示有關故障告警等信息
5.4.2數據查詢
在人機界面中可以直接查看配電室中各個設備的運行數據
5.4.3曲線查詢
可以直接查看各電參量曲線
5.4.4運行報表
查詢配電室內設備的運行數據報表
5.4.5實時告警
具有實時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出告警
5.4.6歷史事件查詢
能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理方便用戶對系統事件和進行歷史追溯查詢統計事故分析
5.4.7用戶權限管理
設置了用戶權限管理功能可以定義不同級別用戶的登錄名密碼及操作權限
5.4.8網絡拓撲圖
支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態能夠完整的顯示整個系統網絡結構
5.4.9遙控功能
可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作
5.5系統硬件配置
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
系統 | ACREL-2000E | Acrel-2000E配電室綜合監控系統可實現開關柜運行監控高壓開關柜帶電顯示母線及電纜測溫監測環境溫濕度監測有害氣體監測安防監控可對燈光風機除濕機空調控制等設備進行聯動控制實現動力環境各數據的檢測與設備控制優化動力環境避免運行環境的失控導致配電設備運行故障保證維護人員安全延長設備使用壽命實現配電動力環境的分布式遠程管理 | |
智能通信管理機 | Anet-2E4SM | 通用網關2路網口4路RS485可選配1路LORA帶電告警功能支持4854G從模塊擴展 | |
主機 | Acrel-2000E/A | 數據采集狀態監測設備控制報警事件記錄查詢可以根據采集到的設備數據或狀態聯動啟動風機聲光報警器空調水泵等設備 | |
Acrel-2000E/B | 參數設置通信管理圖形繪制狀態監測設備控制視頻監控和回放報警事件記錄查詢報警圖片和視頻查詢功能 | ||
Acrel-2000E/M | 參數設置通信管理圖形繪制狀態監測設備控制視頻監控和回放報警事件記錄查詢報警圖片和視頻查詢功能立柜式安裝 | ||
Acrel-2000E/G | 參數設置通信管理圖形繪制狀態監測設備控制視頻監控和回放報警事件記錄查詢報警圖片和視頻查詢功能立柜式安裝 | ||
環境監測硬件 | RS-WS-NO1-8 | 用于配電房溫度和濕度工作電源AC/DC85～265V工作溫度-40.0℃～99.9℃工作濕度0%RH～99%RH | |
BRJ-307 | 光電式煙霧傳感;電源正極（DC12V）+12V繼電器輸出常開觸點 | ||
RS-SJ-N01R01-2 | 接觸式水浸傳感器監測變電所電纜溝控制室等場所積水情況工作電源DC10-30V工作溫度-20℃~+60℃工作濕度0%RH~80%RH響應時間1s繼電器輸出常開觸點 | ||
環境監測硬件 | T35-II-5.6 | 風量4800帶溫控器帶消聲段電機變頻 | |
AT8002 | 常開型感應距離30-50mm材質鋅合金銀灰色電度干接點輸出 | ||
DS-2DC6120BY-A | 視頻監控 | ||
ARTU-KJ8 | 8路開關量輸入,8路繼電器輸出 |
6應用與總結
配電房環境監控系統主機采用STC12C5A60S2單片機進行設計接口統一采用1U機柜接線美觀整齊如圖6中間所示
圖6配電房環境監控系統主機應用實物圖
本文所設計的配電房環境監控系統主機共有12路開關量隔離輸入RJ45接口（可任意接入煙霧水浸紅外入侵等傳感器）8路開關量輸出控制（其中4路為空調控制RJ45接口另外4路為風機照明水泵等控制接線端子接口）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）1路觸摸屏從機485通信RJ45接口以及1個工控機主機485通信RJ45接口主機真正實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整齊美觀容易維護
此外工控機作為上位機與監控主機通信通過網絡或者4G數據流量采用IEC104電力規約與物聯網平臺通信實現遠程測控
參考文獻
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