淺談配電房環境監控係統主機研究與設計

摘要:配電房環境監控係統大多存在設備離線造成實時性變差，容易早接線複雜、易出故障、維護麻煩等問題，設計一種易於(yu) 接線和維護的統一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機為(wei) 核心研製了一種配電房環境監控係統主機，以I/O和RS485通信等形式采集配電房各種開關(guan) 量模擬量輸入，控製各種對象，同時采用標準RJ45接口設計了統一接口。應用結果表明，采用單片機進行主機設計並采用RJ45接口解決(jue) 了上述配電房環境監控係統存在的問題，具有很好的推廣價(jia) 值。

關(guan) 鍵詞:配電房；環境監控；主機

1引言

各行各業(ye) 的配電房安全穩定運行直接關(guan) 係到用戶用電可靠性和穩定性。配電房分布麵廣、設備量大、運行環境複雜、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係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(jue) 隱患並形成記錄，無需人工定期巡檢，運維效率高[3]。

目前許多環境監控係統采用工控機或者觸摸屏作為(wei) 上位機。其RS485通信口通過485隔離器與(yu) 帶有通信功能的開關(guan) 量輸入輸出模塊通信，采集開關(guan) 量輸入、控製開關(guan) 量輸出。同時，通過RS485通信線與(yu) 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(guan) 環境參數。所有采集數據在本地顯示或者通過聯網上傳(chuan) 到平台供運維人員使用。此類係統存在兩(liang) 個(ge) 主要問題：（1）當相關(guan) 485設備模塊離線時，上位機輪詢會(hui) 造成采集實時性變差。（2）接口未規範統一：采用接線端子外接各種開關(guan) 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，並且維護麻煩。

為(wei) 解決(jue) 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(yu) 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(jue) 了因外設掉線引起采集延遲，接線複雜易錯、維護困難等問題。

2環境監控係統組成

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(guan) 量）及輸出控製。

表1配電房常見環境監控參數及控製對象

圖1配電房環境監控係統框圖

配電房環境監控係統組成如圖1所示。根據表1所示的采集參數和控製對象，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係統主機，通過I/O口采集煙霧、水浸、紅外入侵等開關(guan) 量輸入並控製風機、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，並將參數通過485通信傳(chuan) 給LED屏顯示，通過485通信實現觸摸屏上參數顯示、對象控製和報警記錄。同時，通過485通信與(yu) 工控機連接，工控機與(yu) 遠程平台聯網，實現環境參數數據的上傳(chuan) ，以及控製命令的下發。工控機可實現視頻監控係統、門禁係統的遠程監控。

3監控主機硬件設計

配電房環境監控係統主機以單片機為(wei) 核心，根據采集參數和控製對象，設計了12路光耦隔離輸入，8路光耦隔離繼電輸出，2個(ge) RS485通信電路。

圖2配電房環境監控係統主機

3.1開關(guan) 量輸入輸出電路

主機采用STC12C5A60S2單片機作為(wei) 處理器。該單片機共有32個(ge) I/O口。基於(yu) 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(mai) ，節約成本，采集和控製的實時性更好。主機共設計了12路開關(guan) 量光耦隔離輸入，8路開關(guan) 量隔離繼電器輸出（其中4路采用RJ45接口用於(yu) 直接控製空調控製器，4路通過接線端子外接接觸器控製照明、水泵、風機等）。

開關(guan) 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(guan) 量輸入傳(chuan) 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(liang) 兩(liang) 雙絞的作為(wei) 一個(ge) 功能，預防其中一根斷路造成故障，具體(ti) 功能分配如圖3左側(ce) 所示。

圖3開關(guan) 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(yu) 空調控製器連接，用於(yu) 控製空調開關(guan) ；另外4路采用接線端子，方便外接接觸器，用於(yu) 控製照明、水泵、風機等。

圖4開關(guan) 量隔離繼電輸出電路及對應RJ45接口

3.2RS485通信電路

監控係統主機共有兩(liang) 個(ge) 485通信電路，一個(ge) 與(yu) 上位機（工控機）通信，另一個(ge) 通過八路485隔離中繼器與(yu) 從(cong) 機通信。STC12C5A60S2單片機共有2個(ge) 串口，符合係統兩(liang) 個(ge) 485的通信需求。圖5為(wei) 監控係統主機的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電路圖類似，不同點在於(yu) 采用單片機的串口2（RXD2、TXD2）。

圖5監控係統主機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(wei) 了統一采用RS45接口，線序采用568B標準。具體(ti) 功能對應的線序定義(yi) 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A、B雙絞線，抗幹擾能力有效提升。

4監控主機軟件設計

4.1軟件設計總體(ti) 思路

配電房環境監控係統主機軟件設計采用模塊化設計思路，主要分為(wei) ：開關(guan) 量輸入采集任務、開關(guan) 量輸出控製任務、環境監控聯動控製任務和基於(yu) Modbus-RTU協議的四個(ge) 通信任務：模擬量輸入采集、LED屏顯示、觸摸屏從(cong) 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製的可靠性。

所有開關(guan) 量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機進行采集或者控製。上位機是與(yu) 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(hui) 造成采集參數實時性下降。

4.2開關(guan) 量輸入任務

在硬件上采用光耦隔離抗幹擾的設計基礎上，開關(guan) 量輸入采集任務在軟件上設計采用軟件防抖、濾波等技術，能夠有效防止線路幹擾引起煙霧、水浸、紅外入侵等輸入的誤報警和輸出控製的誤動作，提高係統工作的可靠性。

4.3開關(guan) 量輸出控製任務

開關(guan) 量輸出控製任務是單片機根據工控機接收的遠程控製命令或觸摸屏下發的本地控製命令，進行照明、風機、水泵等開關(guan) 輸出控製。為(wei) 了保證遠程控製的安全性，在單片機控製輸出任務加入約定的加密校驗碼（“控製密鑰"），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(cong) 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(wei) 四個(ge) 通信任務。

模擬量輸入采集任務通過與(yu) 六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊的485通信，根據傳(chuan) 感器通信協議，讀取相應寄存器內(nei) 的SF6、O2、溫度、濕度等配電房模擬量環境參數。為(wei) 了采集數據的可靠性，采用軟件濾波方式進行抗幹擾軟件設計：每次采集15個(ge) 數據，冒泡排序後取中間三個(ge) 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SF6、O2、溫度、濕度等參數通過Modbus-RTU協議，寫(xie) 入LED顯示屏。為(wei) 了提高通信效率，采用批量寫(xie) 入LED顯示屏對應寄存器，從(cong) 而實現在LED顯示屏上滾動顯示相關(guan) 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(cong) 機通信任務中，單片機作為(wei) 主機，觸摸屏作為(wei) 從(cong) 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、水泵等控製按鈕的狀態，控製相關(guan) 輸出的標誌位，從(cong) 而在開關(guan) 量輸出控製任務中執行相關(guan) 控製。

在工控機主機通信中，單片機作為(wei) 從(cong) 機，工控機作為(wei) 主機通過Modbus-RTU協議采集單片機中已經采集的各種開關(guan) 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台。同時，電力運維人員在APP或者PC端控製命令通過物聯網平台下發到工控機，工控機通過Modbus-RTU協議向單片機下發控製命令，單片機根據命令控製相關(guan) 輸出的標誌位，執行相關(guan) 控製任務。

4.5聯動控製任務

為(wei) 了實現配電房環境參數和輸出控製對象的聯動，編寫(xie) 聯動程序。聯動程序可以與(yu) 上位機或者觸摸屏進行閾值等參數設置的交互，從(cong) 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製。

當六氟化硫濃度到達某個(ge) 閾值，自動開啟風機排出六氟化硫氣體(ti) ；當溫度濕度達到某個(ge) 閾值，空調自動打開調節溫度濕度；當水浸傳(chuan) 感器監測到有淹水時，自動打開水泵進行排水。

以上相關(guan) 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係統

5.1概述

配電室綜合監控係統包括智能監控係統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子係統（雲(yun) 台球機、槍機）、環境監測子係統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控製子係統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子係統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子係統（雙鑒檢測器）。

5.2應用場所

適用於(yu) 軌道交通，工業(ye) ，建築，學校，商業(ye) 綜合體(ti) 等35kV及以下用戶端供配電自動化係統工程設計、施工和運行維護。

5.3係統結構

5.4係統功能

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(guan) 故障、告警等信息。

5.4.2數據查詢

在人機界麵中，可以直接查看配電室中各個(ge) 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(nei) 設備的運行數據報表。

5.4.5實時告警

具有實時告警功能，係統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體(ti) 、設備故障或通信故障等事件發出告警。

5.4.6曆史事件查詢

能夠對產(chan) 生的所有事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和進行曆史追溯、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(yi) 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

支持實時監視並診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構。

5.4.9遙控功能

可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。

5.5係統硬件配置

6應用與(yu) 總結

配電房環境監控係統主機采用STC12C5A60S2單片機進行設計，接口統一，采用1U機櫃，接線美觀整齊，如圖6中間所示。

圖6配電房環境監控係統主機應用實物圖

本文所設計的配電房環境監控係統主機共有12路開關(guan) 量隔離輸入RJ45接口（可任意接入煙霧、水浸、紅外入侵等傳(chuan) 感器），8路開關(guan) 量輸出控製（其中4路為(wei) 空調控製RJ45接口，另外4路為(wei) 風機、照明、水泵等控製接線端子接口），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(ge) ），1路觸摸屏從(cong) 機485通信RJ45接口，以及1個(ge) 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(wei) 上位機與(yu) 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(yu) 物聯網平台通信，實現遠程測控。

安科瑞侯文莉