淺談配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)研究與設(shè)計(jì)

李明君

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(jiān)控系統(tǒng)大多存在設(shè)備離線造成實(shí)時(shí)性變差，容易早接線復(fù)雜、易出故障、維護(hù)麻煩等問題，設(shè)計(jì)一種易于接線和維護(hù)的統(tǒng)一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心研制了一種配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，以I/O和RS485通信等形式采集配電房各種開關(guān)量模擬量輸入，控制各種對(duì)象，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口設(shè)計(jì)了統(tǒng)一接口。應(yīng)用結(jié)果表明，采用單片機(jī)進(jìn)行主機(jī)設(shè)計(jì)并采用RJ45接口解決了上述配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:配電房；環(huán)境監(jiān)控；主機(jī)

1引言

各行各業(yè)的配電房安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到用戶用電可靠性和穩(wěn)定性。配電房分布面廣、設(shè)備量大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)維管理困難，人工巡檢耗時(shí)且存在監(jiān)控盲區(qū)容易漏巡和誤巡。隨著物聯(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(jiān)控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。通過IEC104規(guī)約遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控配電房各種環(huán)境參數(shù)，高效排查解決隱患并形成記錄，無需人工定期巡檢，運(yùn)維效率高[3]。

目前許多環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)或者觸摸屏作為上位機(jī)。其RS485通信口通過485隔離器與帶有通信功能的開關(guān)量輸入輸出模塊通信，采集開關(guān)量輸入、控制開關(guān)量輸出。同時(shí)，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(guān)環(huán)境參數(shù)。所有采集數(shù)據(jù)在本地顯示或者通過聯(lián)網(wǎng)上傳到平臺(tái)供運(yùn)維人員使用。此類系統(tǒng)存在兩個(gè)主要問題：（1）當(dāng)相關(guān)485設(shè)備模塊離線時(shí)，上位機(jī)輪詢會(huì)造成采集實(shí)時(shí)性變差。（2）接口未規(guī)范統(tǒng)一：采用接線端子外接各種開關(guān)量輸入輸出以及485外設(shè)，安裝調(diào)試也較容易造成線路接錯(cuò)，容易出故障，并且維護(hù)麻煩。

為解決上述問題，本文提出一種采用單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)控主機(jī)，通過單片機(jī)采集外部設(shè)備數(shù)據(jù)，工控機(jī)與單片機(jī)通信進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，主機(jī)采用統(tǒng)一的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，解決了因外設(shè)掉線引起采集延遲，接線復(fù)雜易錯(cuò)、維護(hù)困難等問題。

2環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成

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

表1配電房常見環(huán)境監(jiān)控參數(shù)及控制對(duì)象

圖1配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。根據(jù)表1所示的采集參數(shù)和控制對(duì)象，結(jié)合實(shí)際配電房環(huán)境監(jiān)控需求，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，通過I/O口采集煙霧、水浸、紅外入侵等開關(guān)量輸入并控制風(fēng)機(jī)、照明、水泵、空調(diào)等對(duì)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(shù)通過485通信傳給LED屏顯示，通過485通信實(shí)現(xiàn)觸摸屏上參數(shù)顯示、對(duì)象控制和報(bào)警記錄。同時(shí)，通過485通信與工控機(jī)連接，工控機(jī)與遠(yuǎn)程平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，以及控制命令的下發(fā)。工控機(jī)可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3監(jiān)控主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)以單片機(jī)為核心，根據(jù)采集參數(shù)和控制對(duì)象，設(shè)計(jì)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(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)

3.1開關(guān)量輸入輸出電路

主機(jī)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為處理器。該單片機(jī)共有32個(gè)I/O口?；赟TC12C5A60S2單片機(jī)的主機(jī)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(jié)約成本，采集和控制的實(shí)時(shí)性更好。主機(jī)共設(shè)計(jì)了12路開關(guān)量光耦隔離輸入，8路開關(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(diào)控制器，4路通過接線端子外接接觸器控制照明、水泵、風(fēng)機(jī)等）。

開關(guān)量隔離輸入電路及對(duì)應(yīng)RJ45接口如圖3所示。煙霧、水浸、入侵等開關(guān)量輸入傳感器的共同點(diǎn)是有四根線：供電12VDC的正極、供電12VDC的負(fù)極、公共端（一般接12VDC正極）、常閉觸點(diǎn)，統(tǒng)一采用RJ45的568B線序。兩兩雙絞的作為一個(gè)功能，預(yù)防其中一根斷路造成故障，具體功能分配如圖3左側(cè)所示。

圖3開關(guān)量隔離輸入電路及對(duì)應(yīng)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(diào)控制器連接，用于控制空調(diào)開關(guān)；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(fēng)機(jī)等。

圖4開關(guān)量隔離繼電輸出電路及對(duì)應(yīng)RJ45接口

3.2RS485通信電路

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)共有兩個(gè)485通信電路，一個(gè)與上位機(jī)（工控機(jī)）通信，另一個(gè)通過八路485隔離中繼器與從機(jī)通信。STC12C5A60S2單片機(jī)共有2個(gè)串口，符合系統(tǒng)兩個(gè)485的通信需求。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)的485通信電路1電路圖。該通信電路采用STC12C5A60S2單片機(jī)的串口1（RXD、TXD），隔離中繼器的485通信電路2電路圖類似，不同點(diǎn)在于采用單片機(jī)的串口2（RXD2、TXD2）。

圖5監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)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(jī)USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器、觸摸屏、LED屏等均采用RS485通信。為了統(tǒng)一采用RS45接口，線序采用568B標(biāo)準(zhǔn)。具體功能對(duì)應(yīng)的線序定義如下：供電12VDC的正極采用藍(lán)白/藍(lán)、12VDC的負(fù)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(duì)A、B雙絞線，抗干擾能力有效提升。

4監(jiān)控主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件設(shè)計(jì)總體思路

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要分為：開關(guān)量輸入采集任務(wù)、開關(guān)量輸出控制任務(wù)、環(huán)境監(jiān)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(jī)通信、工控機(jī)主機(jī)通信。多任務(wù)各自獨(dú)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。

所有開關(guān)量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機(jī)進(jìn)行采集或者控制。上位機(jī)是與單片機(jī)直接通信，因此，即使六氟化硫氧氣模塊等485設(shè)備離線或損壞，也不會(huì)造成采集參數(shù)實(shí)時(shí)性下降。

4.2開關(guān)量輸入任務(wù)

在硬件上采用光耦隔離抗干擾的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開關(guān)量輸入采集任務(wù)在軟件上設(shè)計(jì)采用軟件防抖、濾波等技術(shù)，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(bào)警和輸出控制的誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

4.3開關(guān)量輸出控制任務(wù)

開關(guān)量輸出控制任務(wù)是單片機(jī)根據(jù)工控機(jī)接收的遠(yuǎn)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(jī)、水泵等開關(guān)輸出控制。為了保證遠(yuǎn)程控制的安全性，在單片機(jī)控制輸出任務(wù)加入約定的加密校驗(yàn)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(jī)通信、工控機(jī)主機(jī)通信均采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU通信協(xié)議。程序設(shè)計(jì)時(shí)，分為四個(gè)通信任務(wù)。

模擬量輸入采集任務(wù)通過與六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊的485通信，根據(jù)傳感器通信協(xié)議，讀取相應(yīng)寄存器內(nèi)的SF6、O2、溫度、濕度等配電房模擬量環(huán)境參數(shù)。為了采集數(shù)據(jù)的可靠性，采用軟件濾波方式進(jìn)行抗干擾軟件設(shè)計(jì)：每次采集15個(gè)數(shù)據(jù)，冒泡排序后取中間三個(gè)數(shù)據(jù)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(jù)上位機(jī)發(fā)送的校正命令，根據(jù)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(jī)將采集的SF6、O2、溫度、濕度等參數(shù)通過Modbus-RTU協(xié)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(duì)應(yīng)寄存器，從而實(shí)現(xiàn)在LED顯示屏上滾動(dòng)顯示相關(guān)環(huán)境監(jiān)控參數(shù)，正常數(shù)據(jù)采用綠色顯示，異常數(shù)據(jù)采用紅色顯示。

觸摸屏從機(jī)通信任務(wù)中，單片機(jī)作為主機(jī)，觸摸屏作為從機(jī)，單片機(jī)通過Modbus-RTU協(xié)議批量將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給觸摸屏顯示。同時(shí)定期讀取觸摸屏上照明、風(fēng)機(jī)、水泵等控制按鈕的狀態(tài)，控制相關(guān)輸出的標(biāo)志位，從而在開關(guān)量輸出控制任務(wù)中執(zhí)行相關(guān)控制。

在工控機(jī)主機(jī)通信中，單片機(jī)作為從機(jī)，工控機(jī)作為主機(jī)通過Modbus-RTU協(xié)議采集單片機(jī)中已經(jīng)采集的各種開關(guān)量、模擬量環(huán)境參數(shù)，通過IEC104電力規(guī)約上報(bào)電力公司物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。同時(shí)，電力運(yùn)維人員在APP或者PC端控制命令通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)到工控機(jī)，工控機(jī)通過Modbus-RTU協(xié)議向單片機(jī)下發(fā)控制命令，單片機(jī)根據(jù)命令控制相關(guān)輸出的標(biāo)志位，執(zhí)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(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)和輸出控制對(duì)象的聯(lián)動(dòng)，編寫聯(lián)動(dòng)程序。聯(lián)動(dòng)程序可以與上位機(jī)或者觸摸屏進(jìn)行閾值等參數(shù)設(shè)置的交互，從而在原有遠(yuǎn)程測控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)的本地智能化聯(lián)動(dòng)控制。

當(dāng)六氟化硫濃度到達(dá)某個(gè)閾值，自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)排出六氟化硫氣體；當(dāng)溫度濕度達(dá)到某個(gè)閾值，空調(diào)自動(dòng)打開調(diào)節(jié)溫度濕度；當(dāng)水浸傳感器監(jiān)測到有淹水時(shí)，自動(dòng)打開水泵進(jìn)行排水。

以上相關(guān)報(bào)警信息也可以在配電室門上LED屏上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警顯示，以防配電運(yùn)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(jiān)控系統(tǒng)

5.1概述

配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括智能監(jiān)控系統(tǒng)屏、通訊管理機(jī)、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)（云臺(tái)球機(jī)、槍機(jī)）、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統(tǒng)（燈光、空調(diào)、除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵）、門禁監(jiān)控子系統(tǒng)（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監(jiān)控子系統(tǒng)（雙鑒檢測器）。

5.2應(yīng)用場所

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

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2數(shù)據(jù)查詢

在人機(jī)界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

5.4.4運(yùn)行報(bào)表

查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表。

5.4.5實(shí)時(shí)告警

具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸?、有害氣體、設(shè)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

能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。 

5.4.7用戶權(quán)限管理

設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

5.4.8網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

5.4.9遙控功能

可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

5.5系統(tǒng)硬件配置

8

6應(yīng)用與總結(jié)

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)采用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接口統(tǒng)一，采用1U機(jī)柜，接線美觀整齊，如圖6中間所示。

圖6配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用實(shí)物圖

本文所設(shè)計(jì)的配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)共有12路開關(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路開關(guān)量輸出控制（其中4路為空調(diào)控制RJ45接口，另外4路為風(fēng)機(jī)、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(gè)），1路觸摸屏從機(jī)485通信RJ45接口，以及1個(gè)工控機(jī)主機(jī)485通信RJ45接口。主機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了電路和接口的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可靠性大大提升，故障率大大降低，接線整齊美觀容易維護(hù)。

此外，工控機(jī)作為上位機(jī)與監(jiān)控主機(jī)通信，通過網(wǎng)絡(luò)或者4G數(shù)據(jù)流量，采用IEC104電力規(guī)約與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。

參考文獻(xiàn)

[1]袁路路.基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能配電房狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警研究[碩士學(xué)位論文].華南理工大學(xué),廣州,2020

[2]楊士昉,楊仕友,費(fèi)章君.基于IEC104規(guī)約的配電房運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā).電工技術(shù),2020(13):110-112,119

[3]張恒,陳軍球,方振.智能電房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究.機(jī)電信息,2019(36):31,34

[4]國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司.一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng):CN201911282250.8[P].2021-11-26.

[5]陳菊紅,遲海,孟慶敏.智能配電臺(tái)區(qū)配電房環(huán)境變量監(jiān)測及關(guān)鍵技術(shù).科學(xué)與財(cái)富,2018(19):189

[6]徐志保,羅建官,陳夢琴,鄭錦峰,吳金斌.配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)研究與設(shè)計(jì)

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版

作者簡介

李明君，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。