高校學生宿舍安全用電係統的設計與選型

侯文莉

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：為(wei) 了更好地保障學生宿舍用電安全，減少用電事故的發生，利用工控技術，把PLC、觸摸屏和電參數采集模塊通過通信協議組合在一起，搭建了安全用電係統。該係統對學生宿舍的用電狀況、惡性發熱電器等進行監控和管理，能夠及時發現並處理過載、短路及惡性負載接入等異常情況，並具備用電量計量功能。

關(guan) 鍵詞:安全用電；PLC；觸摸屏；惡性負載

0引言

空調、洗衣機、電熱水器等大功率用電器的使用，給我們(men) 的生產(chan) 、生活帶來了極大的便利，但使用這些設備會(hui) 存在大電流、發熱等問題，特別是電吹風、熱得快、電飯鍋等發熱設備，使用不當很容易造成安全事故。對於(yu) 人員較為(wei) 集中的學生宿舍來說，安全用電尤為(wei) 重要。雖然各個(ge) 學校都有相關(guan) 規章製度禁止在宿舍內(nei) 使用大功率、發熱量大的用電器，但屢禁不止，用電安全事故時有發生。安全重於(yu) 泰山，我們(men) 不僅(jin) 僅(jin) 要做好學生的用電安全教育，還要有監督、發現、處理安全用電隱患的能力，把隱患消滅在萌芽狀態。本裝置就是為(wei) 了保障學生宿舍用電安全而研發設計的。

1 硬件係統設計

學生宿舍用電設備主要為(wei) 電飯鍋、熱得快、電磁爐、電吹風等一些電熱器具，這些電器使用不當很容易引起安全事故，引發火災，後果不堪設想。安全用電保障裝置的設計要求為(wei) :能識別大功率電器，比如800W 以上的用電器禁止使用；能夠識別小功率的電熱設備；能夠準確報警切斷故障電源；能夠實時顯示各路電壓、電流、功率等參數；能夠計量用電量。

1.1係統框圖

根據功能進行分析設計，係統框圖如圖1所示。

圖1 係統構成框圖

1.2 各模塊說明

1.2.1信息采集模塊

信息采集的主要任務是采集用電負載的電參量，包括電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。從(cong) 設計成本、穩定性等綜合考慮，選用了深圳市健思科技有限公司研製的6路互感式計量模塊，型號為(wei) JSY-MK-141。該模塊能夠監測6路用電負載，分別完成各路電能的采集、監測及數據傳(chuan) 輸，準確測量每一路的交流電壓、電流、功率、頻率、功率因數、用電量等電參數，測量精度達到0.1級，提供一路RS485通信接口，具有很高的性價(jia) 比。MODBUS-RTU通信協議規約見表1。

表1 MODBUS-RTU規約

負載單相輸入220V、互感器檢測電流50A，模塊供電24V，符合設計要求指標。MODBUS-RTU通信規約實例:讀多路寄存器的數據，功能碼為(wei) 0X03。例:主機要讀取的地址為(wei) 01H、開始地址為(wei) 0048H的2個(ge) 從(cong) 機寄存器數據。

1.2.2人機界麵

人機界麵能夠實現信息的內(nei) 部形式與(yu) 用戶可以接受形式之間的轉換。人機界麵在本裝置中的作用有:實時顯示電流、電壓、用電量、功率因數等電參量，控製處理器和信息采集模塊；在用戶違規使用電熱器具或者大功率用電器時，及時報警提醒管理人員。考慮人機交互的可操作性、實用性和經濟性原則，選用步科eView ET100工業(ye) 型人機界麵。該屏為(wei) 10.1英寸、分辨率1024×60像素的4線電阻觸摸屏，額定電壓24V，功率5.3W，並帶有節能保護功能，支持 MODBUS-RS通信規約的PLC、單片機通信，組態軟件功能全麵，係統參數、固件更新、觸控校準方便，性價(jia) 比高。該觸摸屏通過RS232、RS485 串口分別與(yu) 處理器、信息采集模塊通信，並讀取、顯示各路負載的用電參量，同時獲取屏幕的觸摸事件，把相應的信號回傳(chuan) 給處理器。

1.2.3 處理器

處理器作為(wei) 從(cong) 機，與(yu) 觸摸屏進行數據通信，處理相關(guan) 的數據運算和邏輯判斷，並根據觸摸事件信息及運算結果控製各路負載的電源通斷。根據設計要求，需要控製6路負載的電源，故選用三菱FX3SA-20MT作為(wei) 處理器。該處理器集CPU、電源、輸入輸出為(wei) 一體(ti) ，工作可靠，性價(jia) 比高。

1.2.4 開關(guan) 電源模塊

根據各模塊設備的用電參數，信息采集器供電電源為(wei) 9～24V、觸摸屏和處理器PLC供電電源均為(wei) 24V。市場上有大量的開關(guan) 電源，技術很成熟，不需自己開發設計。考慮到各模塊的功耗都不大，故選用24V、25W的開關(guan) 電源。

2係統接線圖

係統接線圖如圖2所示。受通信端口限製，需自製通信線纜。由於(yu) PLC每個(ge) 端口隻能通過2A電流，且頻繁通斷負載電源容易損壞PLC端口，故在PLC輸出端口擴展了繼電器模塊。

圖2 係統接線圖

3工作原理及過程

3.1 監控模式

數據采集模塊采集電參量(電壓、電流、用電量、功率)，觸摸屏通過RS485 串口與(yu) 之通信，以MODBUS協議的數據格式讀取相關(guan) 數據，並通過RS232串口與(yu) PLC通信，通過運算找到相應數據，送至對應的存儲(chu) 器中，由觸摸屏實時顯示出來。宿舍管理員就可以知道宿舍的用電情況，並在觸摸屏上操作，斷開或接通學生宿舍的電源。

3.2惡性負載的識別

該裝置需要識別大功率電器和發熱電器這類惡性負載。當檢測到惡性負載時，在很短的時間內(nei) 給予斷電，經過一段時間後再送電，並再次檢測惡性負載是否存在。若該宿舍發現3 次使用惡性負載，則斷開電源並記錄事件、報警。斷電後，隻有通過宿舍管理員才能恢複供電。

3.2.1大功率負載的識別

宿舍中常用的大功率用電器有電水壺、電飯鍋(800W以上的)、熱得快等。為(wei) 發現這些大功率電器，隻需在觸摸屏中設置該線路的功率、電流(發生短路時電流急劇增加)，把該數據保存到存儲(chu) 器中。當某一宿舍功率、電流超出預設範圍時，係統發出報警信號，同時切斷對應線路的電源，並更新觸摸屏頁麵監控狀態。宿舍管理員通過屏幕就能知道哪個(ge) 宿舍在使用大功率電器，可以迅速趕往事故點進行評批教育。

3.2.2小功率發熱器件的識別

對於(yu) 一些小功率發熱用電器，如電吹風、電熱毯、電烙鐵、小功率電飯鍋等，如果使用不當(比如忘記關(guan) 電吹風、電熱毯等)，長時間發熱也會(hui) 引起火災等重大安全事故，因此對這些小功率電器也不能忽視。我們(men) 對部分電器的電參數進行了測試，詳見表2。

表2部分電器電參數測試數據

對於(yu) 大功率惡性負載，從(cong) 功率上很容易發現處理。對於(yu) 小功率的發熱電器，如電吹風(高擋)、小功率的電飯鍋、電熱毯等，它們(men) 工作時功率因數都很高，差不多為(wei) 1，我們(men) 隻需要根據功率因數就可以判別。而電吹風(低擋)工作時，功率為(wei) 121W，功率因數為(wei) 0.815；台式電腦功率因數為(wei) 0. 89左右，每增加1台電腦時，功率增加60W，功率因數基本不變。隻按照功率因數判斷，容易誤判台式電腦為(wei) 惡性負載。解決(jue) 方法:設定功率單次增加80W 以上(電吹風低檔位)，同時功率因數大於(yu) 0.8為(wei) 惡性負載;功率單次增加小於(yu) 80W(台式電腦)，同時功率因數大於(yu) 0.93為(wei) 惡性負載。通過這樣的程序設置，就可以把台式電腦和電吹風(低擋)區分開來。實驗證明該方法可靠可行。

3.3 用電量計量功能

采集係統采集線路中的用電量信息並存儲(chu) 於(yu) 內(nei) 存，PLC讀取該信息，並將用電量累加，存儲(chu) 在存儲(chu) 器中，每個(ge) 月的用電量乘以單價(jia) ，就是宿舍的電費。可以采用預繳模式，通過觸摸屏把宿舍預存電量輸入係統，預存的用電量與(yu) 實時的用電量進行運算，當相減為(wei) 0時，自動切斷電源，並顯示出是哪個(ge) 宿舍，提醒宿舍人員繳費。

4 製作測試步驟

（1）按接線圖搭建硬件電路，並通電測試觸摸屏、PLC、采集器供電是否正常，若不正常，用萬(wan) 用表逐步檢查，直至排除故障。

（2）利用組態軟件，對觸摸屏進行組態、編輯，設置相應的開關(guan) 、文本屬性，無誤後下載到觸摸屏中(組態方法見使用手冊(ce) )。

（3）觸摸屏與(yu) 采集器通信測試，設置通信端口，編寫(xie) 相關(guan) 程序，讀取采集器數據，進行計算處理，顯示出來。

（4）觸摸屏與(yu) PLC通信測試，編寫(xie) PLC程序，進行整機聯調，完成相關(guan) 的功能測試。

5安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台

5.1 係統方案

係統為(wei) B/S架構，主要包括前端管理網站和後台集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352係列以及多用戶計量箱ADF300L係列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳(chuan) 閥控水表組成水電一體(ti) 預付費係統，達到先交費後用水的目的，剩餘(yu) 水量用完自動關(guan) 閥。

5.2 係統功能

AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台由雲(yun) 平台-網關(guan) -預付費電能表組成，通過通信網絡完成係統到表的充值、查詢、監控、控製及短信報警等功能。
   本係統適用於(yu) 一些大集團和大物業(ye) ，往往需要將多個(ge) 物業(ye) 環境、分散於(yu) 各地的物業(ye) 集中式收費和管理，麵臨(lin) 著數據公網傳(chuan) 輸，財務操作分散，在線支付，總部財務紮口等複雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網關(guan) 實時上傳(chuan) 到雲(yun) 平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，並可以進行單表或批量設置水價(jia) 控閥等操作。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，並比對充值次數，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體(ti) 式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾(zhong) 號實現在線自助充值水電費，也可以實時關(guan) 注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控製:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一係列遠程控製操作，方便管理。

5.3 產(chan) 品選型

6結束語

該係統方案，通過實物試製、測試達到了設計要求，並具有以下特點:簡潔性:不用複雜的布線方式，不用每個(ge) 宿舍都安裝一個(ge) 電表，一個(ge) 采集器可以采集多個(ge) 宿舍的用電情況，節約成本，節省安裝空間，易於(yu) 集中管理控製。智能性:普通電表出現過載、短路現象，若不能及時發現，就會(hui) 燒毀熔斷器或者發生其他安全事故。本方案可以及時發現並切斷電源，同時報警提醒宿舍管理員對相關(guan) 宿舍人員進行批評教育。多功能性:具備電表的用電量計量功能，並能算出實際用電費用。係統能夠存儲(chu) 預繳電費，並按用電量自動扣減，當剩餘(yu) 用電量等於(yu) 0度時，自動切斷電源。相對於(yu) 買(mai) 卡充電，成本低，管理容易。該係統不需要複雜的技術支持，讀電、充電、斷電操作簡單便捷。隨著生活水平的提高，很多宿舍都安裝了空調，空調都采用單獨布線，專(zhuan) 線控製，集中管理。若要對空調進行控製及計費，該係統也是可行的，隻需設定功率範圍，即可進行有效控製。

【參考文獻】

[1]苗鵬，陳燕鳳，謝文波.學生宿舍安全用電係統的設計

[2]朱向東(dong) ，石劍榮．學生宿舍火災事故樹分析［J］．安全與(yu) 環境工程，2009，16(1):78－80.

[3] 安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06

作者簡介：侯文莉，女，現任職於(yu) 安科瑞電氣股份有限公司，主要從(cong) 事宿舍安全用電研究發展