淺談基于PLC和Modbus的配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品選型

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC和Modbus的配電室現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)配電室現(xiàn)場(chǎng)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，采集存儲(chǔ)視頻圖像和語(yǔ)音，通過(guò)以太網(wǎng)與上一級(jí)監(jiān)控中心進(jìn)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(jì)，接著闡述系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思想．通過(guò)測(cè)試表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：PLC;ModbusRTU;ModbusTCP;配電室;環(huán)境監(jiān)控

??隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)電力能源供應(yīng)的安全性要求不斷提升，作為電網(wǎng)末端配電室的正常運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量和電磁輻射，對(duì)運(yùn)行環(huán)境有較高的要求，有必要對(duì)配電室現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)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)控中心之間往往相隔較遠(yuǎn)，而且一個(gè)監(jiān)控中心需要對(duì)大量配電室進(jìn)行監(jiān)控管理，每一個(gè)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(gè)監(jiān)控中心只能對(duì)少量配電室進(jìn)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(duì)這種需求，本文研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于可編程控制器(PLC)[1]和Modbus的配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心連接后作為配電室群分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行，監(jiān)控中心具有遠(yuǎn)程操控能力[2]。

??配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)配電室現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常報(bào)警處理，監(jiān)控范圍包括門(mén)禁管理、煙霧探測(cè)、明火探測(cè)、門(mén)窗開(kāi)閉探測(cè)、水浸探測(cè)、防盜入侵探測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)、排風(fēng)控制、視頻和語(yǔ)音監(jiān)控、手機(jī)短信報(bào)警等，需要處理數(shù)字量輸入/輸出、串口通信、視頻、語(yǔ)音、網(wǎng)絡(luò)等多種交互數(shù)據(jù)格式，對(duì)數(shù)據(jù)采集和控制操作的實(shí)時(shí)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(chǎng)控制/采集/通信/遠(yuǎn)動(dòng)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(mén)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、短信報(bào)警模塊等監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備．如果需要與上一級(jí)監(jiān)控中心進(jìn)行通信，還需要配置專(zhuān)門(mén)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)動(dòng)控制等功能．在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，外圍監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)3種報(bào)警方式［3］，包括現(xiàn)場(chǎng)聲音報(bào)警、手機(jī)短信報(bào)警和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(duì)報(bào)警進(jìn)行響應(yīng)．?dāng)z像機(jī)的視頻信號(hào)直接通過(guò)視頻線接入到系統(tǒng)主控部分進(jìn)行錄像存儲(chǔ)，拾音器的音頻信號(hào)同步傳入系統(tǒng)主控部分進(jìn)行錄音存儲(chǔ)，根據(jù)需要系統(tǒng)主控部分也可以向攝像機(jī)云臺(tái)發(fā)送控制命令，調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭遠(yuǎn)近和角度。

??系統(tǒng)主控部分由監(jiān)控主機(jī)、PLC、視頻服務(wù)器、門(mén)禁主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(guò)組建Modbus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控主機(jī)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(hào)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(hào)由監(jiān)控主機(jī)通過(guò)PLC產(chǎn)生。短信報(bào)警模塊接入到Modbus總線中，當(dāng)需要報(bào)警時(shí)由監(jiān)控主機(jī)向短信報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信息，由短信報(bào)警模塊向相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)短信報(bào)警信息．?dāng)z像頭的視頻信號(hào)線和控制信號(hào)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(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)，攝像頭的控制信號(hào)由視頻服務(wù)器提供拾音器的音頻信號(hào)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(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)。電控鎖和讀卡器連接門(mén)禁主機(jī)，由門(mén)禁主機(jī)讀卡器信息并發(fā)送控制信號(hào)給電控鎖。系統(tǒng)主控部分各設(shè)備之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接組成以太網(wǎng)，外圍設(shè)備中的對(duì)講/單元接入到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，如果系統(tǒng)與上一級(jí)監(jiān)控中心之間連通了網(wǎng)絡(luò)，則配電室現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心之間可以雙向呼叫，實(shí)現(xiàn)配電室現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間的遠(yuǎn)程可視對(duì)講，也可以由監(jiān)控中心主動(dòng)監(jiān)視和配電室現(xiàn)場(chǎng)的圖像和聲音。監(jiān)控主機(jī)采用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的MiniView－1000T，集控制功能和人機(jī)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(wàn)色觸控顯示屏。MiniView－1000T采用簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、可靠的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，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(kāi)發(fā)需要．PLC采用西門(mén)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(jìn)行擴(kuò)展，具有RS-485接口，通過(guò)編程后可以接入Modbus總線．視頻服務(wù)器采用海康威視生產(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(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS－485串行接口，攝像頭視頻信號(hào)和拾音器音頻信號(hào)直接接入到視頻服務(wù)器中，攝像頭云臺(tái)控制信號(hào)由視頻服務(wù)器提供,視頻服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。門(mén)禁主機(jī)采用門(mén)禁控制器，支持4門(mén)單向/2門(mén)雙向的門(mén)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(chǔ)存2萬(wàn)張卡號(hào)和2萬(wàn)條刷卡記錄，門(mén)禁主機(jī)獨(dú)立工作,通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。

??系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建完成后，需要設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控主機(jī)軟件和PLC軟件，軟件須實(shí)現(xiàn)基于Modbus的通信運(yùn)行機(jī)制。

3.1監(jiān)控主機(jī)軟件

??監(jiān)控主機(jī)軟件采用安科瑞的1高性能組態(tài)工程編輯軟件來(lái)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，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(kù)，監(jiān)控主機(jī)軟件能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)Modbus接口，包括通過(guò)Modbus總線與外圍設(shè)備通信時(shí)作為

??ModbusＲTU主設(shè)備和通過(guò)以太網(wǎng)與上一級(jí)監(jiān)控中心通信時(shí)作為ModbusTCP從設(shè)備的通信接口。監(jiān)控主機(jī)MiniView－1000T同時(shí)作為人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行顯示和操控，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面［5］如圖3所示。監(jiān)控主機(jī)軟件運(yùn)行時(shí)，通過(guò)循環(huán)采集外圍設(shè)備和PLC的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入主機(jī)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在監(jiān)控主機(jī)屏幕顯示，通過(guò)判斷環(huán)境參數(shù)確定是否啟動(dòng)/停止排風(fēng)控制。此外，監(jiān)控主機(jī)觸摸屏還需要對(duì)觸控操作進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)處理和顯示刷新，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能。在人機(jī)界面上，可以通過(guò)觸控方式執(zhí)行啟/停排風(fēng)扇、設(shè)置撤防/布防、開(kāi)啟/停止短信報(bào)警等操作，以及操作菜單和在各個(gè)窗口中進(jìn)行切換。

3.2數(shù)字量輸入信息

??PLC軟件PLC主要實(shí)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(mén)磁窗磁傳感器、水浸傳感器、防盜入侵傳感器等傳感器信號(hào)，數(shù)字量輸出控制信息主要為排風(fēng)扇的控制信號(hào)。PLC通過(guò)Modbus總線接入到監(jiān)控系統(tǒng)

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(jī)、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)（云臺(tái)球機(jī)、槍機(jī)）、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵）、門(mén)禁監(jiān)控子系統(tǒng)（讀卡器、開(kāi)門(mén)按鈕、磁力鎖）、安防監(jiān)控子系統(tǒng)（雙鑒檢測(cè)器）。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

??能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電室環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

4.3.2數(shù)據(jù)查詢

??在人機(jī)界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)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(yùn)行報(bào)表

??查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表。

4.3.5實(shí)時(shí)告警

??具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸取⒂泻怏w、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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢統(tǒng)計(jì)、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(jí)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(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.3.9遙控功能

??可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

4.4系統(tǒng)硬件配置

??本文基于PLC和Modbus設(shè)計(jì)了一個(gè)配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，響應(yīng)及時(shí)。除監(jiān)控中心調(diào)取配電室現(xiàn)場(chǎng)音視頻監(jiān)控錄像時(shí)占用較大帶寬之外，每個(gè)配電室監(jiān)控系統(tǒng)的主控部分每次需要向監(jiān)控中心上傳的數(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(shí)現(xiàn)一個(gè)監(jiān)控中心對(duì)上百個(gè)配電室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某供電局運(yùn)行維護(hù)的多個(gè)配電室中，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電室運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，提高了運(yùn)行維護(hù)效率，取得了良好的應(yīng)用效果。下一步研究方向?yàn)樵黾优潆娛遗潆娫O(shè)備運(yùn)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(chǎng)配電與環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)。并引入云計(jì)算的思想和方法，建立城市級(jí)配電室群分布式監(jiān)控云計(jì)算模型，在云計(jì)算平臺(tái)［6］上運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，增加信息接入和共享能力，為配電室的安全運(yùn)行提供更大的技術(shù)支撐。

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