摘要:配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多存在設(shè)備離線造成實時性變差，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，控制各種對象，同時采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口設(shè)計了統(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、運行環(huán)境復(fù)雜、運維管理困難，人工巡檢耗時且存在監(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)程實時監(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，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)上傳到平臺供運維人員使用。此類系統(tǒng)存在兩個主要問題：（1）當(dāng)相關(guān)485設(shè)備模塊離線時，上位機(jī)輪詢會造成采集實時性變差。（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，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，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、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)和控制對象，結(jié)合實際配電房環(huán)境監(jiān)控需求，采用單片機(jī)設(shè)計配電房環(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通信實現(xiàn)觸摸屏上參數(shù)顯示、對象控制和報警記錄。同時，通過485通信與工控機(jī)連接，工控機(jī)與遠(yuǎn)程平臺聯(lián)網(wǎng)，實現(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

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)和控制對象，設(shè)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(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，采集和控制的實時性更好。主機(jī)共設(shè)計了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，統(tǒng)一采用RJ45的568B線序。兩兩雙絞的作為一個功能，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應(yīng)RJ45接口

3.2RS485通信電路

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)共有兩個485通信電路，一個與上位機(jī)（工控機(jī)）通信，另一個通過八路485隔離中繼器與從機(jī)通信。STC12C5A60S2單片機(jī)共有2個串口，符合系統(tǒng)兩個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

4.1軟件設(shè)計總體思路

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，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)動控制任務(wù)和基于Modbus-RTU協(xié)議的四個通信任務(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，也不會造成采集參數(shù)實時性下降。

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)計基礎(chǔ)上，開關(guān)量輸入采集任務(wù)在軟件上設(shè)計采用軟件防抖、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警和輸出控制的誤動作，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碼（“控制密鑰”），確保不因網(wǎng)絡(luò)入侵而造成配電房的誤動作。

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)計時，分為四個通信任務(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：每次采集15個數(shù)據(jù)，冒泡排序后取中間三個數(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顯示屏對應(yīng)寄存器，從而實現(xiàn)在LED顯示屏上滾動顯示相關(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)約上報電力公司物聯(lián)網(wǎng)平臺。同時，電力運維人員在APP或者PC端控制命令通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(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)動控制任務(wù)

為了實現(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)和輸出控制對象的聯(lián)動，編寫聯(lián)動程序。聯(lián)動程序可以與上位機(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，實現(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)的本地智能化聯(lián)動控制。

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

以上相關(guān)報警信息也可以在配電室門上LED屏上實現(xiàn)實時報警顯示，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(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化系統(tǒng)工程設(shè)計、施工和運行維護(hù)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測

能夠顯示配電室設(shè)備的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息，實時顯示有關(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設(shè)備的運行數(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運行報表

查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)報表。

5.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟?、濕度、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)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、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

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

5.4.9遙控功能

可以對整個配電系統(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

名稱	型號	圖片	功能
系統(tǒng)	ACREL-2000E		Acrel-2000E配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)開關(guān)柜運行監(jiān)控、高壓開關(guān)柜帶電顯示、母線及電纜測溫監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、安防監(jiān)控，可對燈光、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制。實現(xiàn)動力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測與設(shè)備控制，優(yōu)化動力環(huán)境，避免運行環(huán)境的失控導(dǎo)致配電設(shè)備運行故障，保證維護(hù)人員安全，延長設(shè)備使用壽命，實現(xiàn)配電動力環(huán)境的分布式遠(yuǎn)程管理。
智能通信管理機(jī)	Anet-2E4SM		通用網(wǎng)關(guān)，2路網(wǎng)口，4路RS485，可選配1路LORA，帶電告警功能，支持485，4G從模塊擴(kuò)展。
主機(jī)	Acrel-2000E/A		數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備控制、報警事件記錄查詢，可以根據(jù)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)或狀態(tài)聯(lián)動啟動風(fēng)機(jī)、聲光報警器、空調(diào)、水泵等設(shè)備。
	Acrel-2000E/B		參數(shù)設(shè)置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備控制、視頻監(jiān)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(shù)設(shè)置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備控制、視頻監(jiān)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(shù)設(shè)置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備控制、視頻監(jiān)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(huán)境監(jiān)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(jiān)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(yīng)時間：1s繼電器輸出：常開觸點
環(huán)境監(jiān)測硬件	T35-II-5.6		風(fēng)量4800，帶溫控器，帶消聲段，電機(jī)變頻
	AT8002		常開型；感應(yīng)距離：30-50mm材質(zhì)：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	DS-2DC6120BY-A		視頻監(jiān)控
	ARTU-KJ8		8路開關(guān)量輸入,8路繼電器輸出

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，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)用實物圖

本文所設(shè)計的配電房環(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），1路觸摸屏從機(jī)485通信RJ45接口，以及1個工控機(jī)主機(jī)485通信RJ45接口。主機(jī)真正實現(xiàn)了電路和接口的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)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(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)平臺通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡介

陳芳芳，女，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。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的浅谈配电房环境监控系统主机研究与设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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