淺談基于PLC和Modbus的配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統設計及產(chǎn)品選型

摘要：為實(shí)現對配電室現場(chǎng)運行環(huán)境實(shí)時(shí)監控，研究設計了一個(gè)基于PLC和Modbus的配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統。該系統采用PLC處理數字量輸入/輸出，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數據通信，對配電室現場(chǎng)各種環(huán)境參數進(jìn)行監測報警，采集存儲視頻圖像和語(yǔ)音，通過(guò)以太網(wǎng)與上一級監控中心進(jìn)行數據通信。作者首先給出系統總體結構和功能設計，接著(zhù)闡述系統硬件結構和軟件設計思想．通過(guò)測試表明，監控系統運行穩定可靠,具有良好的實(shí)用性。

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

??隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對電力能源供應的安全性要求不斷提升，作為電網(wǎng)末端配電室的正常運行顯得越發(fā)重要。配電室內部安裝了高電壓、高電流配電設備，運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一定的熱量和電磁輻射，對運行環(huán)境有較高的要求，有必要對配電室現場(chǎng)運行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷監控。城市中配電室數量眾多、地域分散、規模不一，配電室與監控中心之間往往相隔較遠，而且一個(gè)監控中心需要對大量配電室進(jìn)行監控管理，每一個(gè)配電室需要監控的環(huán)境參數也非常多?，F有的環(huán)境監控系統一般一個(gè)監控中心只能對少量配電室進(jìn)行監控，而且監控的環(huán)境參數數量也達不到配電室監控的要求．針對這種需求，本文研究設計了一個(gè)基于可編程控制器(PLC)[1]和Modbus的配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統。該系統能實(shí)現對配電室現場(chǎng)運行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，系統既可以獨立運行，又可以通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )與監控中心連接后作為配電室群分布式綜合監控系統的一個(gè)子系統運行，監控中心具有遠程操控能力[2]。

??配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統需要對配電室現場(chǎng)運行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和異常報警處理，監控范圍包括門(mén)禁管理、煙霧探測、明火探測、門(mén)窗開(kāi)閉探測、水浸探測、防盜入侵探測、溫濕度監測、SF6氣體泄漏監測、排風(fēng)控制、視頻和語(yǔ)音監控、可視對講和語(yǔ)音、手機短信報警等，需要處理數字量輸入/輸出、串口通信、視頻、語(yǔ)音、網(wǎng)絡(luò )等多種交互數據格式，對數據采集和控制操作的實(shí)時(shí)性和可靠性有較高要求。監控系統以系統主控部分現場(chǎng)控制/采集/通信/遠動(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、對講單元、短信報警模塊等監測和控制設備．如果需要與上一級監控中心進(jìn)行通信，還需要配置專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò )交換設備。

??系統主控部分負責管理調度整個(gè)監控系統現場(chǎng)控制、數據采集、數據通信和遠動(dòng)控制等功能．在系統運行過(guò)程中，外圍監測設備實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數數據，系統主控部分循環(huán)采集各個(gè)外圍設備的數據并顯示．如果監控到異常數據則啟動(dòng)3種報警方式［3］，包括現場(chǎng)聲音報警、手機短信報警和計算機網(wǎng)絡(luò )報警，根據需要系統主控部分可以向控制設備發(fā)送控制命令［4］以對報警進(jìn)行響應．攝像機的視頻信號直接通過(guò)視頻線(xiàn)接入到系統主控部分進(jìn)行錄像存儲，拾音器的音頻信號同步傳入系統主控部分進(jìn)行錄音存儲，根據需要系統主控部分也可以向攝像機云臺發(fā)送控制命令，調節攝像機鏡頭遠近和角度。

??系統主控部分由監控主機、PLC、視頻服務(wù)器、門(mén)禁主機、網(wǎng)絡(luò )交換機等部分構成，系統主控部分和外圍設備連接硬件結構圖如圖2所示。系統通過(guò)組建Modbus總線(xiàn)進(jìn)行數據通信，監控主機作為ModbusRTU主設備，負責Modbus總線(xiàn)的通信管理，具有Modbus接口的外圍設備作為ModbusRTU從設備接入總線(xiàn)，輸出信號為數字量的外圍設備統一接入到PLC，PLC接入到Modbus總線(xiàn)，需要數字量控制的外圍設備的控制信號由監控主機通過(guò)PLC產(chǎn)生。短信報警模塊接入到Modbus總線(xiàn)中，當需要報警時(shí)由監控主機向短信報警模塊發(fā)送報警信息，由短信報警模塊向相關(guān)人員發(fā)送手機短信報警信息．攝像頭的視頻信號線(xiàn)和控制信號線(xiàn)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(xiàn)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(mén)禁主機，由門(mén)禁主機讀卡器信息并發(fā)送控制信號給電控鎖。系統主控部分各設備之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )交換機連接組成以太網(wǎng)，外圍設備中的對講/單元接入到網(wǎng)絡(luò )交換機，如果系統與上一級監控中心之間連通了網(wǎng)絡(luò )，則配電室現場(chǎng)和監控中心之間可以雙向呼叫，實(shí)現配電室現場(chǎng)與監控中心之間的遠程可視對講，也可以由監控中心主動(dòng)監視配電室現場(chǎng)的圖像和聲音。監控主機采用廣州致遠電子生產(chǎn)的MiniView－1000T，集控制功能和人機界面功能于一體，具有2路RS－232－C/RS－485復用接口，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、穩定、可靠的實(shí)時(shí)操作系統，支持數據庫，搭載輕小型的GUI保證了高速的GUI響應，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(mǎn)足各種應用系統開(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路數字量輸入和10路數字量輸出，并能較容易進(jìn)行擴展，具有RS-485接口，通過(guò)編程后可以接入Modbus總線(xiàn)．視頻服務(wù)器采用?？低暽a(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)標準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(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。門(mén)禁主機采用門(mén)禁控制器，支持4門(mén)單向/2門(mén)雙向的門(mén)禁控制，具有讀卡器數據讀取和電控鎖控制接口，控制器上可儲存2萬(wàn)張卡號和2萬(wàn)條刷卡記錄，門(mén)禁主機獨立工作,通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

??系統硬件平臺搭建完成后，需要設計軟件系統來(lái)實(shí)現系統功能，系統軟件主要包括監控主機軟件和PLC軟件，軟件須實(shí)現基于Modbus的通信運行機制。

3.1監控主機軟件

??監控主機軟件采用安科瑞的1高性能組態(tài)工程編輯軟件來(lái)進(jìn)行編程設計，軟件界面友好，采用拖曳式的圖形編輯系統。由于集成豐富的通信協(xié)議庫，監控主機軟件能夠通過(guò)編程實(shí)現Modbus接口，包括通過(guò)Modbus總線(xiàn)與外圍設備通信時(shí)作為

??ModbusＲTU主設備和通過(guò)以太網(wǎng)與上一級監控中心通信時(shí)作為ModbusTCP從設備的通信接口。監控主機MiniView－1000T同時(shí)作為人機交互設備進(jìn)行顯示和操控，設計的人機交互界面［5］如圖3所示。監控主機軟件運行時(shí)，通過(guò)循環(huán)采集外圍設備和PLC的監測數據，將監測數據存入主機嵌入式數據庫中，并在監控主機屏幕顯示，通過(guò)判斷環(huán)境參數確定是否啟動(dòng)/停止排風(fēng)控制。此外，監控主機觸摸屏還需要對觸控操作進(jìn)行響應，進(jìn)行相應處理和顯示刷新，實(shí)現實(shí)時(shí)人機交互功能。在人機界面上，可以通過(guò)觸控方式執行啟/停排風(fēng)扇、設置撤防/布防、開(kāi)啟/停止短信報警等操作，以及操作菜單和在各個(gè)窗口中進(jìn)行切換。

3.2數字量輸入信息

??PLC軟件PLC主要實(shí)現采集監控系統中的數字量輸入信息，以及產(chǎn)生數字量輸出控制信息。數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，數字量輸出控制信息主要為排風(fēng)扇的控制信號。PLC通過(guò)Modbus總線(xiàn)接入到監控系統

4.1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(huán)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(fēng)機、水泵）、門(mén)禁監控子系統（讀卡器、開(kāi)門(mén)按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

4.2系統結構

 

 

 

4.3系統功能

4.3.1實(shí)時(shí)監測

??能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測配電室環(huán)境參數信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

4.3.2數據查詢(xún)

??在人機界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設備的運行數據。

4.3.3曲線(xiàn)查詢(xún)

??可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

4.3.4運行報表

??查詢(xún)配電室內設備的運行數據報表。

4.3.5實(shí)時(shí)告警

??具有實(shí)時(shí)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(fā)出告警。

4.3.6歷史事件查詢(xún)

??能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統計、事故分析。 

4.3.7用戶(hù)權限管理

??設置了用戶(hù)權限管理功能，可以定義不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限。

4.3.8網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

??支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

4.3.9遙控功能

??可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

4.4系統硬件配置

 

 

 

??本文基于PLC和Modbus設計了一個(gè)配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統，實(shí)現對配電室運行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，數據采集穩定可靠，響應及時(shí)。除監控中心調取配電室現場(chǎng)音視頻監控錄像時(shí)占用較大帶寬之外，每個(gè)配電室監控系統的主控部分每次需要向監控中心上傳的數據量很小，只有幾十Byte，數據上傳速度較快。因此，可以實(shí)現一個(gè)監控中心對上百個(gè)配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統進(jìn)行管理。系統已成功應用于某供電局運行維護的多個(gè)配電室中，有效地實(shí)現了對配電室運行環(huán)境進(jìn)行監控，提高了運行維護效率，取得了良好的應用效果。下一步研究方向為增加配電室配電設備運行情況的監控，采集和上傳配電設備的電參量，將環(huán)境監控和配電監控集成為配電室現場(chǎng)配電與環(huán)境綜合監控系統。并引入云計算的思想和方法，建立城市級配電室群分布式監控云計算模型，在云計算平臺［6］上運行監控系統，增加信息接入和共享能力，為配電室的安全運行提供更大的技術(shù)支撐。

[1]楊臨.PLC在機房環(huán)境監控系統中的應用［J］。自動(dòng)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)的室內環(huán)境監控系統的設計［J］。計算機技術(shù)與自動(dòng)化，2012，31(4):47-50。

[3]楊洋.沈小青，柏永斌等.基于A(yíng)VＲ和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監控系統設計與實(shí)現［J］。計算機測量與控制，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)境監控系統設計［J］。傳感器與微系統，2012，31(6):128-129，133。

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

[6]錢(qián)毅.基于云計算和視頻智能分析的變電站視頻及環(huán)境監控系統升級方案設計［J］。電力學(xué)報，2011，26(2):151-155.612云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)35。

[7]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版。

[8]楊艷華，蘇紅軍，周永錄，徐斌，黃燕燕等.基于PLC和Modbus的配電室現場(chǎng)環(huán)境監控系統設計。