尤兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:為實現(xiàn)對配電室現(xiàn)場運行環(huán)境實時監(jiān)控,研究設(shè)計了一個基于PLC和Modbus的配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC處理數(shù)字量輸入/輸出,采用Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信,對配電室現(xiàn)場各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測報警,采集存儲視頻圖像和語音,通過以太網(wǎng)與上一級監(jiān)控進行數(shù)據(jù)通信。作者首先給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計,接著闡述系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計思想.通過測試表明,監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,具有良好的實用性。
關(guān)鍵詞:PLC;ModbusRTU;ModbusTCP;配電室;環(huán)境監(jiān)控
0引言
??隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,對電力能源供應(yīng)的性要求不斷提升,作為電網(wǎng)末端配電室的正常運行顯得越發(fā)重要。配電室內(nèi)部安裝了高電壓、高電流配電設(shè)備,運行過程中會產(chǎn)生一定的熱量和電磁輻射,對運行環(huán)境有較高的要求,有必要對配電室現(xiàn)場運行環(huán)境進行實時不間斷監(jiān)控。城市中配電室數(shù)量眾多、地域分散、規(guī)模不一,配電室與監(jiān)控之間往往相隔較遠(yuǎn),而且一個監(jiān)控需要對大量配電室進行監(jiān)控管理,每一個配電室需要監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)也非常多。現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)一般一個監(jiān)控只能對少量配電室進行監(jiān)控,而且監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)數(shù)量也達(dá)不到配電室監(jiān)控的要求.針對這種需求,本文研究設(shè)計了一個基于可編程控制器(PLC)[1]和Modbus的配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對配電室現(xiàn)場運行環(huán)境進行實時監(jiān)控,系統(tǒng)既可以獨立運行,又可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控連接后作為配電室群分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)運行,監(jiān)控具有遠(yuǎn)程操控能力[2]。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能
??配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要對配電室現(xiàn)場運行環(huán)境進行實時監(jiān)控和異常報警處理,監(jiān)控范圍包括門禁管理、煙霧探測、明火探測、門窗開閉探測、水浸探測、防盜入侵探測、溫濕度監(jiān)測、SF6氣體泄漏監(jiān)測、排風(fēng)控制、視頻和語音監(jiān)控、可視對講和語音、手機短信報警等,需要處理數(shù)字量輸入/輸出、串口通信、視頻、語音、網(wǎng)絡(luò)等多種交互數(shù)據(jù)格式,對數(shù)據(jù)采集和控制操作的實時性和可靠性有較高要求。監(jiān)控系統(tǒng)以系統(tǒng)主控部分現(xiàn)場控制/采集/通信/遠(yuǎn)動單元)為核心,外圍配置電控鎖、讀卡器、煙霧傳感器、明火傳感器、門磁窗磁傳感器、水浸傳感器、紅外防盜入侵傳感器、溫濕度傳感器、SF6傳感器、排風(fēng)扇、攝像頭、拾音器、對講單元、短信報警模塊等監(jiān)測和控制設(shè)備.如果需要與上一級監(jiān)控進行通信,還需要配置專門的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。
??系統(tǒng)主控部分負(fù)責(zé)管理調(diào)度整個監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)動控制等功能.在系統(tǒng)運行過程中,外圍監(jiān)測設(shè)備實時采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),系統(tǒng)主控部分循環(huán)采集各個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)并顯示.如果監(jiān)控到異常數(shù)據(jù)則啟動3種報警方式[3],包括現(xiàn)場聲音報警、手機短信報警和計算機網(wǎng)絡(luò)報警,根據(jù)需要系統(tǒng)主控部分可以向控制設(shè)備發(fā)送控制命令[4]以對報警進行響應(yīng).?dāng)z像機的視頻信號直接通過視頻線接入到系統(tǒng)主控部分進行錄像存儲,拾音器的音頻信號同步傳入系統(tǒng)主控部分進行錄音存儲,根據(jù)需要系統(tǒng)主控部分也可以向攝像機云臺發(fā)送控制命令,調(diào)節(jié)攝像機鏡頭遠(yuǎn)近和角度。
2系統(tǒng)主控部分結(jié)構(gòu)
??系統(tǒng)主控部分由監(jiān)控主機、PLC、視頻服務(wù)器、門禁主機、網(wǎng)絡(luò)交換機等部分構(gòu)成,系統(tǒng)主控部分和外圍設(shè)備連接硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)通過組建Modbus總線進行數(shù)據(jù)通信,監(jiān)控主機作為ModbusRTU主設(shè)備,負(fù)責(zé)Modbus總線的通信管理,具有Modbus接口的外圍設(shè)備作為ModbusRTU從設(shè)備接入總線,輸出信號為數(shù)字量的外圍設(shè)備統(tǒng)一接入到PLC,PLC接入到Modbus總線,需要數(shù)字量控制的外圍設(shè)備的控制信號由監(jiān)控主機通過PLC產(chǎn)生。短信報警模塊接入到Modbus總線中,當(dāng)需要報警時由監(jiān)控主機向短信報警模塊發(fā)送報警信息,由短信報警模塊向相關(guān)人員發(fā)送手機短信報警信息.?dāng)z像頭的視頻信號線和控制信號線直接接入到視頻服務(wù)器,由視頻服務(wù)器采集視頻信號并進行存儲,攝像頭的控制信號由視頻服務(wù)器提供拾音器的音頻信號線直接接入到視頻服務(wù)器,由視頻服務(wù)器采集音頻信號并進行存儲。電控鎖和讀卡器連接門禁主機,由門禁主機讀卡器信息并發(fā)送控制信號給電控鎖。系統(tǒng)主控部分各設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接組成以太網(wǎng),外圍設(shè)備中的對講單元接入到網(wǎng)絡(luò)交換機,如果系統(tǒng)與上一級監(jiān)控之間連通了網(wǎng)絡(luò),則配電室現(xiàn)場和監(jiān)控之間可以雙向呼叫,實現(xiàn)配電室現(xiàn)場與監(jiān)控之間的遠(yuǎn)程可視對講,也可以由監(jiān)控主動監(jiān)視配電室現(xiàn)場的圖像和聲音。監(jiān)控主機采用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的MiniView-1000T,集控制功能和人機界面功能于一體,具有2路RS-232-C/RS-485復(fù)用接口,1路以太網(wǎng),1路CAN接口,配置了10.4寸、真彩色26萬色觸控顯示屏。MiniView-1000T采用簡潔、穩(wěn)定、可靠的實時操作系統(tǒng),支持?jǐn)?shù)據(jù)庫,搭載輕小型的GUI保證了高速的GUI響應(yīng),支持ModbusRTU/ASCII主、從協(xié)議和ModbusTCP主、從協(xié)議,并支持串口和CAN自定義協(xié)議,滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)需要.PLC采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列的CPU224XP,具有14路數(shù)字量輸入和10路數(shù)字量輸出,并能較容易進行擴展,具有RS-485接口,通過編程后可以接入Modbus總線.視頻服務(wù)器采用??低暽a(chǎn)的DS-6504HF-SATA,具有4路模擬視頻輸入,4路模擬音頻輸入,1個標(biāo)準(zhǔn)RS-485串行接口,攝像頭視頻信號和拾音器音頻信號直接接入到視頻服務(wù)器中,攝像頭云臺控制信號由視頻服務(wù)器提供,視頻服務(wù)器通過以太網(wǎng)進行訪問。門禁主機采用門禁控制器,支持4門單向/2門雙向的門禁控制,具有讀卡器數(shù)據(jù)讀取和電控鎖控制接口,控制器上可儲存2萬張卡號和2萬條刷卡記錄,門禁主機獨立工作,通過以太網(wǎng)進行訪問。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
??系統(tǒng)硬件平臺搭建完成后,需要設(shè)計軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)功能,系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控主機軟件和PLC軟件,軟件須實現(xiàn)基于Modbus的通信運行機制。
3.1監(jiān)控主機軟件
??監(jiān)控主機軟件采用安科瑞的1高性能組態(tài)工程編輯軟件來進行編程設(shè)計,軟件界面友好,采用拖曳式的圖形編輯系統(tǒng)。由于集成豐富的通信協(xié)議庫,監(jiān)控主機軟件能夠通過編程實現(xiàn)Modbus接口,包括通過Modbus總線與外圍設(shè)備通信時作為
??ModbusRTU主設(shè)備和通過以太網(wǎng)與上一級監(jiān)控通信時作為ModbusTCP從設(shè)備的通信接口。監(jiān)控主機MiniView-1000T同時作為人機交互設(shè)備進行顯示和操控,設(shè)計的人機交互界面[5]如圖3所示。監(jiān)控主機軟件運行時,通過循環(huán)采集外圍設(shè)備和PLC的監(jiān)測數(shù)據(jù),將監(jiān)測數(shù)據(jù)存入主機嵌入式數(shù)據(jù)庫中,并在監(jiān)控主機屏幕顯示,通過判斷環(huán)境參數(shù)確定是否啟動/停止排風(fēng)控制。此外,監(jiān)控主機觸摸屏還需要對觸控操作進行響應(yīng),進行相應(yīng)處理和顯示刷新,實現(xiàn)實時人機交互功能。在人機界面上,可以通過觸控方式執(zhí)行啟/停排風(fēng)扇、設(shè)置撤防/布防、開啟/停止短信報警等操作,以及操作菜單和在各個窗口中進行切換。
3.2數(shù)字量輸入信息
??PLC軟件PLC主要實現(xiàn)采集監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)字量輸入信息,以及產(chǎn)生數(shù)字量輸出控制信息。數(shù)字量輸入信息包括煙霧傳感器、明火傳感器、
??門磁窗磁傳感器、水浸傳感器、防盜入侵傳感器等傳感器信號,數(shù)字量輸出控制信息主要為排風(fēng)扇的控制信號。PLC通過Modbus總線接入到監(jiān)控系統(tǒng)
4、安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的介紹與選型
4.1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、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)(云臺球機、槍機)、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、風(fēng)機、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)。
4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.3系統(tǒng)功能
4.3.1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。
4.3.2數(shù)據(jù)查詢
??在人機界面中,可以直接查看配電室中各個設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。
4.3.3曲線查詢
??可以直接查看各電參量曲線。
4.3.4運行報表
??查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)報表。
4.3.5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。
4.3.6歷史事件查詢
??能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。
4.3.7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。
4.3.8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)。
4.3.9遙控功能
??可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠(yuǎn)程遙控操作。
4.4系統(tǒng)硬件配置
5結(jié)論
??本文基于PLC和Modbus設(shè)計了一個配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對配電室運行環(huán)境進行實時監(jiān)控,數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠,響應(yīng)及時。除監(jiān)控調(diào)取配電室現(xiàn)場音視頻監(jiān)控錄像時占用較大帶寬之外,每個配電室監(jiān)控系統(tǒng)的主控部分每次需要向監(jiān)控上傳的數(shù)據(jù)量很小,只有幾十Byte,數(shù)據(jù)上傳速度較快。因此,可以實現(xiàn)一個監(jiān)控對上百個配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行管理。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某供電局運行維護的多個配電室中,有效地實現(xiàn)了對配電室運行環(huán)境進行監(jiān)控,提高了運行維護效率,取得了良好的應(yīng)用效果。下一步研究方向為增加配電室配電設(shè)備運行情況的監(jiān)控,采集和上傳配電設(shè)備的電參量,將環(huán)境監(jiān)控和配電監(jiān)控集成為配電室現(xiàn)場配電與環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)。并引入云計算的思想和方法,建立城市級配電室群分布式監(jiān)控云計算模型,在云計算平臺[6]上運行監(jiān)控系統(tǒng),增加信息接入和共享能力,為配電室的運行提供更大的技術(shù)支撐。
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