淺談基于PLC和Modbus的配電室現(xiàn)場環(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)對配電室現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境實(shí)時監(jiān)控，研究設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對配電室現(xiàn)場各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測報(bào)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(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．通過測試表明，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

??隨著國民經(jīng)濟(jì)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(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)行過程中會產(chǎn)生一定的熱量和電磁輻射，對運(yùn)行環(huán)境有較高的要求，有必要對配電室現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)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(jìn)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?，F(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(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．針對這種需求，本文研究設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對配電室現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以通過計(jì)算機(jī)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(yùn)行，監(jiān)控具有遠(yuǎn)程操控能力[2]。

??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(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和異常報(bào)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(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(shí)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(bào)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(jìn)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(yùn)行過程中，外圍監(jiān)測設(shè)備實(shí)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(bào)警方式［3］，包括現(xiàn)場聲音報(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］以對報(bào)警進(jìn)行響應(yīng)．?dāng)z像機(jī)的視頻信號直接通過視頻線接入到系統(tǒng)主控部分進(jìn)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(jìn)行錄音存儲，根據(jù)需要系統(tǒng)主控部分也可以向攝像機(jī)云臺發(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(jī)通過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(jìn)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(jìn)行存儲。電控鎖和讀卡器連接門禁主機(jī)，由門禁主機(jī)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(jī)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(jī)，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(shí)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(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26萬色觸控顯示屏。MiniView－1000T采用簡潔、穩(wěn)定、可靠的實(shí)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)行訪問。門禁主機(jī)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(jī)獨(dú)立工作,通過以太網(wǎng)進(jìn)行訪問。

??系統(tǒng)硬件平臺搭建完成后，需要設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)來實(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，監(jiān)控主機(jī)軟件能夠通過編程實(shí)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(jī)MiniView－1000T同時作為人機(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，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(jī)嵌入式數(shù)據(jù)庫中，并在監(jiān)控主機(jī)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(jī)觸摸屏還需要對觸控操作進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)處理和顯示刷新，實(shí)現(xiàn)實(shí)時人機(jī)交互功能。在人機(jī)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(bào)警等操作，以及操作菜單和在各個窗口中進(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)

4.1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)（云臺球機(jī)、槍機(jī)）、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(jī)、風(fēng)機(jī)、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(shí)時監(jiān)測

??能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)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(jī)界面中，可以直接查看配電室中各個設(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)時告警

??具有實(shí)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(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(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(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)了一個配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對配電室運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)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(shí)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(jìn)行管理。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某供電局運(yùn)行維護(hù)的多個配電室中，有效地實(shí)現(xiàn)了對配電室運(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，建立城市級配電室群分布式監(jiān)控云計(jì)算模型，在云計(jì)算平臺［6］上運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，增加信息接入和共享能力，為配電室的運(yùn)行提供更大的技術(shù)支撐。

[1]楊臨.PLC在機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］。自動化與儀器儀表，2010，6:66-67。

[2]閆林生，肖伸平，鄧鵬等.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］。計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動化，2012，31(4):47-50。

[3]楊洋.沈小青，柏永斌等.基于AVＲ和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］。計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21(2):418-420。

[4]袁騰，李秋紅，楊國斌等.基于ZigBee和3G技術(shù)的WSNs環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］。傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(6):128-129，133。

[5]陳立偉，楊建華，曹曉歡等.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(2):265-268。

[6]錢毅.基于云計(jì)算和視頻智能分析的變電站視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)升級方案設(shè)計(jì)［J］。電力學(xué)報(bào)，2011，26(2):151-155.612云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)35。

[7]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版。

[8]楊艷華，蘇紅軍，周永錄，徐斌，黃燕燕等.基于PLC和Modbus的配電室現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。