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,、維護麻煩等問題,，設(shè)計一種易于接線和維護的統(tǒng)一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機為核心研制了一種配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機,，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,，采用單片機進(jìn)行主機設(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

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)采用工控機或者觸摸屏作為上位機。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，并且維護麻煩,。

為解決上述問題,，本文提出一種采用單片機的環(huán)境監(jiān)控主機，通過單片機采集外部設(shè)備數(shù)據(jù),，工控機與單片機通信進(jìn)行監(jiān)控，同時,，主機采用統(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，采用單片機設(shè)計配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機,，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,、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通信與工控機連接,，工控機與遠(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)控主機硬件設(shè)計

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機以單片機為核心,，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

3.1開關(guān)量輸入輸出電路

主機采用STC12C5A60S2單片機作為處理器。該單片機共有32個I/O口,?；赟TC12C5A60S2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,，節(jié)約成本，采集和控制的實時性更好,。主機共設(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)主機共有兩個485通信電路，一個與上位機（工控機）通信,，另一個通過八路485隔離中繼器與從機通信,。STC12C5A60S2單片機共有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,，不同點在于采用單片機的串口2（RXD2、TXD2）,。

圖5監(jiān)控系統(tǒng)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(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、觸摸屏從機通信,、工控機主機通信,。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進(jìn)行采集或者控制,。上位機是與單片機直接通信，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)是單片機根據(jù)工控機接收的遠(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,、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,、觸摸屏從機通信,、工控機主機通信均采用標(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。

觸摸屏從機通信任務(wù)中,，單片機作為主機,，觸摸屏作為從機，單片機通過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、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。

在工控機主機通信中,，單片機作為從機,，工控機作為主機通過Modbus-RTU協(xié)議采集單片機中已經(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,，工控機通過Modbus-RTU協(xié)議向單片機下發(fā)控制命令,，單片機根據(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,、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）,。

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。

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

6應(yīng)用與總結(jié)

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機采用STC12C5A60S2單片機進(jìn)行設(shè)計,，接口統(tǒng)一,，采用1U機柜，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,、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485通信RJ45接口,，以及1個工控機主機485通信RJ45接口,。主機真正實現(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,。

此外,，工控機作為上位機與監(jiān)控主機通信，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。

安科瑞侯文莉