侯文莉
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了更好地保障學(xué)生宿舍用電安全，減少用電事故的發(fā)生,，利用工控技術(shù),，把PLC、觸摸屏和電參數(shù)采集模塊通過通信協(xié)議組合在一起,，搭建了安全用電系統(tǒng),。該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生宿舍的用電狀況、惡性發(fā)熱電器等進(jìn)行監(jiān)控和管理,，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理過載,、短路及惡性負(fù)載接入等異常情況，并具備用電量計(jì)量功能,。
關(guān)鍵詞:安全用電,；PLC；觸摸屏,；惡性負(fù)載
0引言
空調(diào),、洗衣機(jī)、電熱水器等大功率用電器的使用,，給我們的生產(chǎn),、生活帶來了極大的便利，但使用這些設(shè)備會(huì)存在大電流,、發(fā)熱等問題,，特別是電吹風(fēng)、熱得快,、電飯鍋等發(fā)熱設(shè)備,，使用不當(dāng)很容易造成安全事故。對(duì)于人員較為集中的學(xué)生宿舍來說,，安全用電尤為重要,。雖然各個(gè)學(xué)校都有相關(guān)規(guī)章制度禁止在宿舍內(nèi)使用大功率、發(fā)熱量大的用電器,，但屢禁不止,，用電安全事故時(shí)有發(fā)生。安全重于泰山,，我們不僅僅要做好學(xué)生的用電安全教育,，還要有監(jiān)督、發(fā)現(xiàn),、處理安全用電隱患的能力,，把隱患消滅在萌芽狀態(tài),。本裝置就是為了保障學(xué)生宿舍用電安全而研發(fā)設(shè)計(jì)的。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生宿舍用電設(shè)備主要為電飯鍋,、熱得快,、電磁爐、電吹風(fēng)等一些電熱器具,，這些電器使用不當(dāng)很容易引起安全事故,，引發(fā)火災(zāi)，后果不堪設(shè)想,。安全用電保障裝置的設(shè)計(jì)要求為:能識(shí)別大功率電器,，比如800W 以上的用電器禁止使用；能夠識(shí)別小功率的電熱設(shè)備,；能夠準(zhǔn)確報(bào)警切斷故障電源,；能夠?qū)崟r(shí)顯示各路電壓、電流,、功率等參數(shù),；能夠計(jì)量用電量。
1.1系統(tǒng)框圖
根據(jù)功能進(jìn)行分析設(shè)計(jì),，系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)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(wù)是采集用電負(fù)載的電參量，包括電壓,、電流,、功率、頻率,、功率因數(shù)等,。從設(shè)計(jì)成本、穩(wěn)定性等綜合考慮,，選用了深圳市健思科技有限公司研制的6路互感式計(jì)量模塊,，型號(hào)為JSY-MK-141。該模塊能夠監(jiān)測(cè)6路用電負(fù)載,，分別完成各路電能的采集,、監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸，準(zhǔn)確測(cè)量每一路的交流電壓,、電流,、功率、頻率,、功率因數(shù),、用電量等電參數(shù)，測(cè)量精度達(dá)到0.1級(jí),，提供一路RS485通信接口,，具有很高的性價(jià)比,。MODBUS-RTU通信協(xié)議規(guī)約見表1。
表1 MODBUS-RTU規(guī)約
負(fù)載單相輸入220V,、互感器檢測(cè)電流50A,，模塊供電24V，符合設(shè)計(jì)要求指標(biāo),。MODBUS-RTU通信規(guī)約實(shí)例:讀多路寄存器的數(shù)據(jù),，功能碼為0X03。例:主機(jī)要讀取的地址為01H,、開始地址為0048H的2個(gè)從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)。
1.2.2人機(jī)界面
人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換,。人機(jī)界面在本裝置中的作用有:實(shí)時(shí)顯示電流,、電壓、用電量,、功率因數(shù)等電參量,，控制處理器和信息采集模塊；在用戶違規(guī)使用電熱器具或者大功率用電器時(shí),，及時(shí)報(bào)警提醒管理人員,。考慮人機(jī)交互的可操作性,、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性原則,，選用步科eView ET100工業(yè)型人機(jī)界面。該屏為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,，并帶有節(jié)能保護(hù)功能,，支持 MODBUS-RS通信規(guī)約的PLC、單片機(jī)通信,，組態(tài)軟件功能全面,，系統(tǒng)參數(shù)、固件更新,、觸控校準(zhǔn)方便,，性價(jià)比高。該觸摸屏通過RS232,、RS485 串口分別與處理器,、信息采集模塊通信，并讀取,、顯示各路負(fù)載的用電參量,，同時(shí)獲取屏幕的觸摸事件,，把相應(yīng)的信號(hào)回傳給處理器。
1.2.3 處理器
處理器作為從機(jī),，與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，處理相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷，并根據(jù)觸摸事件信息及運(yùn)算結(jié)果控制各路負(fù)載的電源通斷,。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,，需要控制6路負(fù)載的電源，故選用三菱FX3SA-20MT作為處理器,。該處理器集CPU,、電源、輸入輸出為一體,，工作可靠,，性價(jià)比高。
1.2.4 開關(guān)電源模塊
根據(jù)各模塊設(shè)備的用電參數(shù),，信息采集器供電電源為9～24V,、觸摸屏和處理器PLC供電電源均為24V。市場(chǎng)上有大量的開關(guān)電源,，技術(shù)很成熟,，不需自己開發(fā)設(shè)計(jì)?？紤]到各模塊的功耗都不大,，故選用24V、25W的開關(guān)電源,。
2系統(tǒng)接線圖
系統(tǒng)接線圖如圖2所示,。受通信端口限制，需自制通信線纜,。由于PLC每個(gè)端口只能通過2A電流,，且頻繁通斷負(fù)載電源容易損壞PLC端口，故在PLC輸出端口擴(kuò)展了繼電器模塊,。
圖2 系統(tǒng)接線圖
3工作原理及過程
3.1 監(jiān)控模式
數(shù)據(jù)采集模塊采集電參量(電壓,、電流、用電量,、功率),，觸摸屏通過RS485 串口與之通信，以MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)格式讀取相關(guān)數(shù)據(jù),，并通過RS232串口與PLC通信,，通過運(yùn)算找到相應(yīng)數(shù)據(jù)，送至對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，由觸摸屏實(shí)時(shí)顯示出來,。宿舍管理員就可以知道宿舍的用電情況,，并在觸摸屏上操作，斷開或接通學(xué)生宿舍的電源,。
3.2惡性負(fù)載的識(shí)別
該裝置需要識(shí)別大功率電器和發(fā)熱電器這類惡性負(fù)載,。當(dāng)檢測(cè)到惡性負(fù)載時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)給予斷電,，經(jīng)過一段時(shí)間后再送電,，并再次檢測(cè)惡性負(fù)載是否存在。若該宿舍發(fā)現(xiàn)3 次使用惡性負(fù)載,，則斷開電源并記錄事件,、報(bào)警。斷電后,，只有通過宿舍管理員才能恢復(fù)供電,。
3.2.1大功率負(fù)載的識(shí)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。為發(fā)現(xiàn)這些大功率電器,，只需在觸摸屏中設(shè)置該線路的功率,、電流(發(fā)生短路時(shí)電流急劇增加)，把該數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中,。當(dāng)某一宿舍功率,、電流超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),，同時(shí)切斷對(duì)應(yīng)線路的電源,，并更新觸摸屏頁面監(jiān)控狀態(tài)。宿舍管理員通過屏幕就能知道哪個(gè)宿舍在使用大功率電器,，可以迅速趕往事故點(diǎn)進(jìn)行評(píng)批教育,。
3.2.2小功率發(fā)熱器件的識(shí)別
對(duì)于一些小功率發(fā)熱用電器，如電吹風(fēng),、電熱毯,、電烙鐵、小功率電飯鍋等,，如果使用不當(dāng)(比如忘記關(guān)電吹風(fēng),、電熱毯等)，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱也會(huì)引起火災(zāi)等重大安全事故,，因此對(duì)這些小功率電器也不能忽視,。我們對(duì)部分電器的電參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，詳見表2,。
表2部分電器電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)
對(duì)于大功率惡性負(fù)載,，從功率上很容易發(fā)現(xiàn)處理,。對(duì)于小功率的發(fā)熱電器，如電吹風(fēng)(高擋),、小功率的電飯鍋,、電熱毯等，它們工作時(shí)功率因數(shù)都很高,，差不多為1,，我們只需要根據(jù)功率因數(shù)就可以判別。而電吹風(fēng)(低擋)工作時(shí),，功率為121W,，功率因數(shù)為0.815；臺(tái)式電腦功率因數(shù)為0. 89左右,，每增加1臺(tái)電腦時(shí),，功率增加60W，功率因數(shù)基本不變,。只按照功率因數(shù)判斷,，容易誤判臺(tái)式電腦為惡性負(fù)載。解決方法:設(shè)定功率單次增加80W 以上(電吹風(fēng)低檔位),，同時(shí)功率因數(shù)大于0.8為惡性負(fù)載;功率單次增加小于80W(臺(tái)式電腦),，同時(shí)功率因數(shù)大于0.93為惡性負(fù)載。通過這樣的程序設(shè)置,，就可以把臺(tái)式電腦和電吹風(fēng)(低擋)區(qū)分開來,。實(shí)驗(yàn)證明該方法可靠可行。
3.3 用電量計(jì)量功能
采集系統(tǒng)采集線路中的用電量信息并存儲(chǔ)于內(nèi)存,，PLC讀取該信息,，并將用電量累加，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,，每個(gè)月的用電量乘以單價(jià),，就是宿舍的電費(fèi)?？梢圆捎妙A(yù)繳模式,，通過觸摸屏把宿舍預(yù)存電量輸入系統(tǒng)，預(yù)存的用電量與實(shí)時(shí)的用電量進(jìn)行運(yùn)算,，當(dāng)相減為0時(shí),，自動(dòng)切斷電源，并顯示出是哪個(gè)宿舍,，提醒宿舍人員繳費(fèi),。
4 制作測(cè)試步驟
（1）按接線圖搭建硬件電路，并通電測(cè)試觸摸屏、PLC,、采集器供電是否正常,，若不正常，用萬用表逐步檢查,，直至排除故障,。
（2）利用組態(tài)軟件，對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài),、編輯,，設(shè)置相應(yīng)的開關(guān)、文本屬性,，無誤后下載到觸摸屏中(組態(tài)方法見使用手冊(cè)),。
（3）觸摸屏與采集器通信測(cè)試，設(shè)置通信端口,，編寫相關(guān)程序,，讀取采集器數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理,，顯示出來,。
（4）觸摸屏與PLC通信測(cè)試，編寫PLC程序,，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào),，完成相關(guān)的功能測(cè)試。
5安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)
5.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構(gòu),，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列,，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能,。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的,，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥,。
5.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值,、查詢,、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能,。
本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè),，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理,，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸,，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求,。
遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái),，快速便捷，免去人工抄表 ,。
水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。
遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理,，電量實(shí)時(shí)下發(fā),，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷,。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況,；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗,、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù),、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi),，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況,。
短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒,，都可及時(shí)短信通知商戶,。
遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理,。
5.3 產(chǎn)品選型
6結(jié)束語
該系統(tǒng)方案,，通過實(shí)物試制、測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，并具有以下特點(diǎn):簡(jiǎn)潔性:不用復(fù)雜的布線方式,，不用每個(gè)宿舍都安裝一個(gè)電表，一個(gè)采集器可以采集多個(gè)宿舍的用電情況,，節(jié)約成本,，節(jié)省安裝空間，易于集中管理控制,。智能性:普通電表出現(xiàn)過載,、短路現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),，就會(huì)燒毀熔斷器或者發(fā)生其他安全事故,。本方案可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷電源，同時(shí)報(bào)警提醒宿舍管理員對(duì)相關(guān)宿舍人員進(jìn)行批評(píng)教育,。多功能性:具備電表的用電量計(jì)量功能,，并能算出實(shí)際用電費(fèi)用,。系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)預(yù)繳電費(fèi)，并按用電量自動(dòng)扣減,，當(dāng)剩余用電量等于0度時(shí),，自動(dòng)切斷電源。相對(duì)于買卡充電,，成本低,，管理容易。該系統(tǒng)不需要復(fù)雜的技術(shù)支持,，讀電,、充電、斷電操作簡(jiǎn)單便捷,。隨著生活水平的提高,，很多宿舍都安裝了空調(diào)，空調(diào)都采用單獨(dú)布線,，專線控制,，集中管理。若要對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制及計(jì)費(fèi),，該系統(tǒng)也是可行的,，只需設(shè)定功率范圍，即可進(jìn)行有效控制,。
【參考文獻(xiàn)】
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作者簡(jiǎn)介：侯文莉,，女,，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展
