淺談配電房環境監控系統主機研究與設計

摘要:配電房環境監控系統大多存在設備離線造成實時性變差，容易早接線復雜、易出故障、維護麻煩等問題，設計一種易于接線和維護的統一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機為核心研制了一種配電房環境監控系統主機，以I/O和RS485通信等形式采集配電房各種開關量模擬量輸入，控制各種對象，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并采用RJ45接口解決了上述配電房環境監控系統存在的問題，具有很好的推廣價值。

1引言

各行各業的配電房安全穩定運行直接關系到用戶用電可靠性和穩定性。配電房分布面廣、設備量大、運行環境復雜、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系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]。

目前許多環境監控系統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量輸入輸出模塊通信，采集開關量輸入、控制開關量輸出。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環境參數。所有采集數據在本地顯示或者通過聯網上傳到平臺供運維人員使用。此類系統存在兩個主要問題：（1）當相關485設備模塊離線時，上位機輪詢會造成采集實時性變差。（2）接口未規范統一：采用接線端子外接各種開關量輸入輸出以及485外設，安裝調試也較容易造成線路接錯，容易出故障，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境監控主機，通過單片機采集外部設備數據，工控機與單片機通信進行監控，同時，主機采用統一的RJ45網絡接口，解決了因外設掉線引起采集延遲，接線復雜易錯、維護困難等問題。

2環境監控系統組成

配電房環境監控主要完成如表1所示的環境參數采集（模擬量和開關量）及輸出控制。

表1配電房常見環境監控參數及控制對象

圖1配電房環境監控系統框圖

配電房環境監控系統組成如圖1所示。根據表1所示的采集參數和控制對象，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系統主機，通過I/O口采集煙霧、水浸、紅外入侵等開關量輸入并控制風機、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，并將參數通過485通信傳給LED屏顯示，通過485通信實現觸摸屏上參數顯示、對象控制和報警記錄。同時，通過485通信與工控機連接，工控機與遠程平臺聯網，實現環境參數數據的上傳，以及控制命令的下發。工控機可實現視頻監控系統、門禁系統的遠程監控。

3監控主機硬件設計

配電房環境監控系統主機以單片機為核心，根據采集參數和控制對象，設計了12路光耦隔離輸入，8路光耦隔離繼電輸出，2個RS485通信電路。

圖2配電房環境監控系統主機

3.1開關量輸入輸出電路

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，節約成本，采集和控制的實時性更好。主機共設計了12路開關量光耦隔離輸入，8路開關量隔離繼電器輸出（其中4路采用RJ45接口用于直接控制空調控制器，4路通過接線端子外接接觸器控制照明、水泵、風機等）。

開關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的負極、公共端（一般接12VDC正極）、常閉觸點，統一采用RJ45的568B線序。兩兩雙絞的作為一個功能，預防其中一根斷路造成故障，具體功能分配如圖3左側所示。

圖3開關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線序與空調控制器連接，用于控制空調開關；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、風機等。

圖4開關量隔離繼電輸出電路及對應RJ45接口

3.2RS485通信電路

監控系統主機共有兩個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，符合系統兩個485的通信需求。圖5為監控系統主機的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，不同點在于采用單片機的串口2（RXD2、TXD2）。

圖5監控系統主機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。為了統一采用RS45接口，線序采用568B標準。具體功能對應的線序定義如下：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，抗干擾能力有效提升。

4監控主機軟件設計

4.1軟件設計總體思路

配電房環境監控系統主機軟件設計采用模塊化設計思路，主要分為：開關量輸入采集任務、開關量輸出控制任務、環境監控聯動控制任務和基于Modbus-RTU協議的四個通信任務：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。多任務各自獨立又相互協同，確保輸入采集的正確性和輸出控制的可靠性。

所有開關量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機進行采集或者控制。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設備離線或損壞，也不會造成采集參數實時性下降。

4.2開關量輸入任務

在硬件上采用光耦隔離抗干擾的設計基礎上，開關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，提高系統工作的可靠性。

4.3開關量輸出控制任務

開關量輸出控制任務是單片機根據工控機接收的遠程控制命令或觸摸屏下發的本地控制命令，進行照明、風機、水泵等開關輸出控制。為了保證遠程控制的安全性，在單片機控制輸出任務加入約定的加密校驗碼（“控制密鑰”），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，分為四個通信任務。

模擬量輸入采集任務通過與六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊的485通信，根據傳感器通信協議，讀取相應寄存器內的SF6、O2、溫度、濕度等配電房模擬量環境參數。為了采集數據的可靠性，采用軟件濾波方式進行抗干擾軟件設計：每次采集15個數據，冒泡排序后取中間三個數據的平均值。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顯示屏對應寄存器，從而實現在LED顯示屏上滾動顯示相關環境監控參數，正常數據采用綠色顯示，異常數據采用紅色顯示。

觸摸屏從機通信任務中，單片機作為主機，觸摸屏作為從機，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、水泵等控制按鈕的狀態，控制相關輸出的標志位，從而在開關量輸出控制任務中執行相關控制。

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協議采集單片機中已經采集的各種開關量、模擬量環境參數，通過IEC104電力規約上報電力公司物聯網平臺。同時，電力運維人員在APP或者PC端控制命令通過物聯網平臺下發到工控機，工控機通過Modbus-RTU協議向單片機下發控制命令，單片機根據命令控制相關輸出的標志位，執行相關控制任務。

4.5聯動控制任務

為了實現配電房環境參數和輸出控制對象的聯動，編寫聯動程序。聯動程序可以與上位機或者觸摸屏進行閾值等參數設置的交互，從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制。

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

以上相關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系統

5.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子系統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

5.3系統結構

5.4系統功能

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，實時顯示有關故障、告警等信息。

5.4.2數據查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數據。

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

查詢配電室內設備的運行數據報表。

5.4.5實時告警

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

5.4.6歷史事件查詢

能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、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

支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

5.4.9遙控功能

可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

5.5系統硬件配置

名稱	型號	圖片	功能
系統	ACREL-2000E		Acrel-2000E配電室綜合監控系統，可實現開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯動控制。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，優化動力環境，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，實現配電動力環境的分布式遠程管理。
智能通信管理機	Anet-2E4SM		通用網關，2路網口，4路RS485，可選配1路LORA，帶電告警功能，支持485，4G從模塊擴展。
主機	Acrel-2000E/A		數據采集、狀態監測、設備控制、報警事件記錄查詢，可以根據采集到的設備數據或狀態聯動啟動風機、聲光報警器、空調、水泵等設備。
	Acrel-2000E/B		參數設置、通信管理、圖形繪制、狀態監測、設備控制、視頻監控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。
	Acrel-2000E/M		參數設置、通信管理、圖形繪制、狀態監測、設備控制、視頻監控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。立柜式安裝。
	Acrel-2000E/G		參數設置、通信管理、圖形繪制、狀態監測、設備控制、視頻監控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。立柜式安裝
環境監測硬件	RS-WS-NO1-8		用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0%RH～99%RH
	BRJ-307		光電式煙霧傳感;電源正極（DC12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點
	RS-SJ-N01R01-2		接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：-20℃~+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點
環境監測硬件	T35-II-5.6		風量4800，帶溫控器，帶消聲段，電機變頻
	AT8002		常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	DS-2DC6120BY-A		視頻監控
	ARTU-KJ8		8路開關量輸入,8路繼電器輸出

6應用與總結

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

圖6配電房環境監控系統主機應用實物圖

本文所設計的配電房環境監控系統主機共有12路開關量隔離輸入RJ45接口（可任意接入煙霧、水浸、紅外入侵等傳感器），8路開關量輸出控制（其中4路為空調控制RJ45接口，另外4路為風機、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，工控機作為上位機與監控主機通信，通過網絡或者4G數據流量，采用IEC104電力規約與物聯網平臺通信，實現遠程測控。