摘要:配(pei)(pei)電房(fang)環(huan)境監控系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)大多存(cun)在設備離線(xian)造成(cheng)實時性變差(cha)，容易(yi)(yi)早接線(xian)復雜(za)、易(yi)(yi)出故障、維護麻煩(fan)等問(wen)題(ti)，設計一(yi)種易(yi)(yi)于接線(xian)和(he)維護的統(tong)(tong)(tong)一(yi)接口(kou)十(shi)分必要。本文以STC12C5A60S2單片(pian)機(ji)(ji)為核心研制了一(yi)種配(pei)(pei)電房(fang)環(huan)境監控系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)主(zhu)機(ji)(ji)，以I/O和(he)RS485通信等形(xing)式采(cai)(cai)(cai)集配(pei)(pei)電房(fang)各種開關量模擬(ni)量輸入，控制各種對象，同(tong)時采(cai)(cai)(cai)用標準RJ45接口(kou)設計了統(tong)(tong)(tong)一(yi)接口(kou)。應用結果表明，采(cai)(cai)(cai)用單片(pian)機(ji)(ji)進行主(zhu)機(ji)(ji)設計并采(cai)(cai)(cai)用RJ45接口(kou)解決了上述配(pei)(pei)電房(fang)環(huan)境監控系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)存(cun)在的問(wen)題(ti)，具有很(hen)好的推廣價(jia)值(zhi)。

關鍵詞:配電房；環(huan)境監控；主機

1引言

各(ge)(ge)(ge)行(xing)各(ge)(ge)(ge)業的配電(dian)(dian)房安全穩(wen)定(ding)(ding)運行(xing)直接關系到(dao)用戶用電(dian)(dian)可靠性和(he)穩(wen)定(ding)(ding)性。配電(dian)(dian)房分(fen)布(bu)面廣(guang)、設(she)備量(liang)大、運行(xing)環(huan)境復(fu)雜、運維管理困難，人工巡(xun)檢(jian)耗時且存在(zai)監控(kong)盲區(qu)容易漏巡(xun)和(he)誤巡(xun)。隨著物(wu)聯網技(ji)術的不斷(duan)成(cheng)熟和(he)發展(zhan)，信息化技(ji)術在(zai)電(dian)(dian)力配電(dian)(dian)房環(huan)境監控(kong)系統中得到(dao)越來(lai)越廣(guang)泛(fan)的應用。通過IEC104規約(yue)遠程實時監控(kong)配電(dian)(dian)房各(ge)(ge)(ge)種環(huan)境參數，高(gao)效(xiao)排查(cha)解(jie)決隱(yin)患并形成(cheng)記錄(lu)，無需人工定(ding)(ding)期巡(xun)檢(jian)，運維效(xiao)率高(gao)[3]。

目(mu)前許多(duo)環境監(jian)控(kong)系統采用(yong)工控(kong)機或(huo)者觸摸屏作為上(shang)位機。其(qi)RS485通(tong)信(xin)口通(tong)過(guo)485隔離(li)(li)器(qi)與帶(dai)有(you)通(tong)信(xin)功(gong)能的開(kai)(kai)關(guan)(guan)量(liang)輸入(ru)輸出(chu)(chu)(chu)模(mo)塊(kuai)(kuai)通(tong)信(xin)，采集(ji)開(kai)(kai)關(guan)(guan)量(liang)輸入(ru)、控(kong)制開(kai)(kai)關(guan)(guan)量(liang)輸出(chu)(chu)(chu)。同時(shi)，通(tong)過(guo)RS485通(tong)信(xin)線(xian)(xian)與帶(dai)有(you)通(tong)信(xin)功(gong)能的六氟化(hua)硫(liu)氧氣模(mo)塊(kuai)(kuai)、溫濕度模(mo)塊(kuai)(kuai)通(tong)信(xin)采集(ji)相關(guan)(guan)環境參數。所(suo)有(you)采集(ji)數據在本地顯示(shi)或(huo)者通(tong)過(guo)聯網上(shang)傳到(dao)平臺供運維(wei)人員使用(yong)。此類(lei)系統存(cun)在兩個主要問題(ti)：（1）當相關(guan)(guan)485設備(bei)模(mo)塊(kuai)(kuai)離(li)(li)線(xian)(xian)時(shi)，上(shang)位機輪詢會造成(cheng)采集(ji)實時(shi)性(xing)變差。（2）接(jie)口未規(gui)范統一：采用(yong)接(jie)線(xian)(xian)端子外接(jie)各種開(kai)(kai)關(guan)(guan)量(liang)輸入(ru)輸出(chu)(chu)(chu)以及485外設，安裝調試也較容(rong)易造成(cheng)線(xian)(xian)路接(jie)錯(cuo)，容(rong)易出(chu)(chu)(chu)故障(zhang)，并且維(wei)護麻煩。

為解(jie)(jie)決(jue)上述問題(ti)(ti)，本文提出一(yi)種采用單(dan)(dan)片(pian)機(ji)的(de)環境(jing)監控主(zhu)機(ji)，通過單(dan)(dan)片(pian)機(ji)采集(ji)外部(bu)設(she)備(bei)數據，工控機(ji)與單(dan)(dan)片(pian)機(ji)通信(xin)進行監控，同時，主(zhu)機(ji)采用統一(yi)的(de)RJ45網絡(luo)接(jie)口，解(jie)(jie)決(jue)了因(yin)外設(she)掉線(xian)引起采集(ji)延遲，接(jie)線(xian)復雜(za)易(yi)錯(cuo)、維護困難等問題(ti)(ti)。

2環境監控系統組成

配(pei)電(dian)房環(huan)境(jing)監(jian)控主要完成如表1所(suo)示的環(huan)境(jing)參數采集（模(mo)擬量和(he)開關量）及輸出(chu)控制。

表1配電房常見環境(jing)監控(kong)參數(shu)及控(kong)制對象

圖(tu)1配電房環境監控系統框圖(tu)

配電(dian)房(fang)環境(jing)監控(kong)(kong)系(xi)統(tong)(tong)組成如圖1所(suo)示(shi)(shi)。根據表1所(suo)示(shi)(shi)的采(cai)(cai)集(ji)(ji)參(can)數(shu)和控(kong)(kong)制(zhi)對象，結合實際配電(dian)房(fang)環境(jing)監控(kong)(kong)需求，采(cai)(cai)用單片機(ji)設計配電(dian)房(fang)環境(jing)監控(kong)(kong)系(xi)統(tong)(tong)主機(ji)，通(tong)過(guo)I/O口(kou)采(cai)(cai)集(ji)(ji)煙霧、水(shui)浸、紅外(wai)入侵等開關量輸入并(bing)控(kong)(kong)制(zhi)風機(ji)、照明(ming)、水(shui)泵、空調等對象，通(tong)過(guo)485通(tong)信(xin)采(cai)(cai)集(ji)(ji)六氟化硫氧(yang)氣、溫濕度(du)等模擬量輸入，并(bing)將參(can)數(shu)通(tong)過(guo)485通(tong)信(xin)傳給(gei)LED屏(ping)顯示(shi)(shi)，通(tong)過(guo)485通(tong)信(xin)實現(xian)(xian)觸摸屏(ping)上(shang)參(can)數(shu)顯示(shi)(shi)、對象控(kong)(kong)制(zhi)和報警記錄。同時，通(tong)過(guo)485通(tong)信(xin)與工控(kong)(kong)機(ji)連接(jie)，工控(kong)(kong)機(ji)與遠程平臺聯網，實現(xian)(xian)環境(jing)參(can)數(shu)數(shu)據的上(shang)傳，以及控(kong)(kong)制(zhi)命令的下發(fa)。工控(kong)(kong)機(ji)可實現(xian)(xian)視(shi)頻監控(kong)(kong)系(xi)統(tong)(tong)、門禁系(xi)統(tong)(tong)的遠程監控(kong)(kong)。

3監控主機硬件設計

配(pei)電房環境監控系統主機以單片機為核心，根據采集(ji)參(can)數和控制對象，設計(ji)了(le)12路光(guang)耦隔(ge)離輸入，8路光(guang)耦隔(ge)離繼(ji)電輸出，2個RS485通信電路。

圖2配電房環境監控系統(tong)主機

3.1開關(guan)量輸入輸出電路(lu)

主機(ji)采用(yong)STC12C5A60S2單(dan)片機(ji)作為處理器(qi)。該單(dan)片機(ji)共有32個(ge)I/O口(kou)。基于(yu)STC12C5A60S2單(dan)片機(ji)的(de)主機(ji)集成光耦隔(ge)離輸(shu)(shu)入(ru)、光耦隔(ge)離繼電(dian)器(qi)輸(shu)(shu)出電(dian)路(lu)，無另行(xing)購買，節約成本，采集和(he)控制(zhi)(zhi)的(de)實時性更好。主機(ji)共設計(ji)了12路(lu)開(kai)關量(liang)光耦隔(ge)離輸(shu)(shu)入(ru)，8路(lu)開(kai)關量(liang)隔(ge)離繼電(dian)器(qi)輸(shu)(shu)出（其中4路(lu)采用(yong)RJ45接(jie)口(kou)用(yong)于(yu)直接(jie)控制(zhi)(zhi)空調控制(zhi)(zhi)器(qi)，4路(lu)通過接(jie)線(xian)端子外(wai)接(jie)接(jie)觸器(qi)控制(zhi)(zhi)照(zhao)明(ming)、水泵、風(feng)機(ji)等）。

開(kai)關(guan)(guan)量隔離(li)輸(shu)入電路及對應RJ45接口如圖(tu)(tu)3所(suo)(suo)示(shi)。煙霧、水浸、入侵等開(kai)關(guan)(guan)量輸(shu)入傳感器的(de)共(gong)同點是有四根(gen)線(xian)：供(gong)電12VDC的(de)正(zheng)(zheng)極、供(gong)電12VDC的(de)負極、公(gong)共(gong)端（一(yi)般接12VDC正(zheng)(zheng)極）、常閉觸點，統(tong)一(yi)采用RJ45的(de)568B線(xian)序(xu)。兩(liang)兩(liang)雙(shuang)絞的(de)作為一(yi)個功能，預防其中一(yi)根(gen)斷路造成故障，具體功能分(fen)配如圖(tu)(tu)3左側(ce)所(suo)(suo)示(shi)。

圖(tu)4開(kai)關量隔離(li)繼電(dian)(dian)輸出(chu)電(dian)(dian)路及(ji)對應RJ45接口

3.2RS485通信(xin)電(dian)路

監(jian)控(kong)系統(tong)主(zhu)機(ji)(ji)(ji)共有(you)(you)兩(liang)(liang)個485通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)電(dian)(dian)路(lu)，一個與上位機(ji)(ji)(ji)（工控(kong)機(ji)(ji)(ji)）通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)，另一個通(tong)(tong)過八路(lu)485隔離(li)中(zhong)繼器(qi)與從(cong)機(ji)(ji)(ji)通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)。STC12C5A60S2單片機(ji)(ji)(ji)共有(you)(you)2個串(chuan)(chuan)口(kou)，符合系統(tong)兩(liang)(liang)個485的(de)通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)需(xu)求。圖(tu)5為監(jian)控(kong)系統(tong)主(zhu)機(ji)(ji)(ji)的(de)485通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)電(dian)(dian)路(lu)1電(dian)(dian)路(lu)圖(tu)。該通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)電(dian)(dian)路(lu)采(cai)用STC12C5A60S2單片機(ji)(ji)(ji)的(de)串(chuan)(chuan)口(kou)1（RXD、TXD），隔離(li)中(zhong)繼器(qi)的(de)485通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)電(dian)(dian)路(lu)2電(dian)(dian)路(lu)圖(tu)類似，不同點在于采(cai)用單片機(ji)(ji)(ji)的(de)串(chuan)(chuan)口(kou)2（RXD2、TXD2）。

圖5監控系(xi)統(tong)主機(ji)485通(tong)信電路(lu)(lu)1電路(lu)(lu)圖3.3RS485通(tong)信接口

六氟化硫氧氣模塊(kuai)、溫濕度模塊(kuai)、上位機USB轉485轉換(huan)器(qi)、觸摸屏、LED屏等均(jun)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)RS485通(tong)信(xin)。為(wei)了統一采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)RS45接口，線序采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)568B標準。具體功能對應(ying)的線序定義(yi)如(ru)下：供電12VDC的正極(ji)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)藍白(bai)(bai)/藍、12VDC的負極(ji)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)棕(zong)白(bai)(bai)/棕(zong)、通(tong)信(xin)線A采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)橙(cheng)(cheng)白(bai)(bai)/綠(lv)白(bai)(bai)、通(tong)信(xin)線B采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)橙(cheng)(cheng)/綠(lv)，共形成橙(cheng)(cheng)白(bai)(bai)/橙(cheng)(cheng)、綠(lv)白(bai)(bai)/綠(lv)2對A、B雙絞線，抗干擾能力有效提(ti)升。

4監控主機軟件設計

4.1軟件設計總體思路(lu)

配電房環(huan)境(jing)監控(kong)系(xi)統主機(ji)(ji)(ji)軟件(jian)設(she)計(ji)采(cai)(cai)用模(mo)塊化設(she)計(ji)思(si)路，主要分為：開關量(liang)(liang)輸(shu)入(ru)采(cai)(cai)集任(ren)(ren)務、開關量(liang)(liang)輸(shu)出(chu)控(kong)制(zhi)(zhi)任(ren)(ren)務、環(huan)境(jing)監控(kong)聯動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)任(ren)(ren)務和基于(yu)Modbus-RTU協(xie)議的四個通(tong)信(xin)任(ren)(ren)務：模(mo)擬量(liang)(liang)輸(shu)入(ru)采(cai)(cai)集、LED屏(ping)顯示(shi)、觸摸屏(ping)從機(ji)(ji)(ji)通(tong)信(xin)、工控(kong)機(ji)(ji)(ji)主機(ji)(ji)(ji)通(tong)信(xin)。多(duo)任(ren)(ren)務各(ge)自(zi)獨立(li)又(you)相(xiang)互協(xie)同，確(que)保輸(shu)入(ru)采(cai)(cai)集的正確(que)性(xing)和輸(shu)出(chu)控(kong)制(zhi)(zhi)的可靠性(xing)。

所有開關(guan)量輸入(ru)輸出和(he)模擬量輸入(ru)等均(jun)由單片機進行采集(ji)或者控制(zhi)。上位機是與單片機直接通信，因(yin)此，即(ji)使六氟化硫(liu)氧氣模塊等485設備離線或損(sun)壞(huai)，也不會造成采集(ji)參數實時性(xing)下降。

4.2開關量輸(shu)入(ru)任(ren)務

在硬件上(shang)采(cai)用(yong)光耦隔(ge)離抗(kang)干擾的(de)設計基礎(chu)上(shang)，開關量輸入采(cai)集任務(wu)在軟件上(shang)設計采(cai)用(yong)軟件防(fang)抖、濾波(bo)等技術，能夠有效防(fang)止線路干擾引起(qi)煙霧、水浸、紅(hong)外入侵等輸入的(de)誤報警和輸出控制的(de)誤動作，提高(gao)系統工作的(de)可靠性。

4.3開關(guan)量輸出控制任務

開關量輸出(chu)(chu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)任務(wu)是單片(pian)機(ji)(ji)根(gen)據工控(kong)(kong)(kong)機(ji)(ji)接收的(de)(de)遠程(cheng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)命令(ling)或(huo)觸摸屏下發的(de)(de)本地控(kong)(kong)(kong)制(zhi)命令(ling)，進行照明、風機(ji)(ji)、水泵等開關輸出(chu)(chu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)。為了保(bao)證遠程(cheng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)的(de)(de)安全性(xing)，在單片(pian)機(ji)(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)輸出(chu)(chu)任務(wu)加入約定(ding)的(de)(de)加密校驗碼（“控(kong)(kong)(kong)制(zhi)密鑰"），確保(bao)不(bu)因(yin)網絡入侵(qin)而造成配(pei)電房的(de)(de)誤(wu)動作。

4.4Modbus-RTU通信任務

模擬量輸入采(cai)集、LED屏顯示、觸摸(mo)屏從機通(tong)信(xin)、工控機主機通(tong)信(xin)均采(cai)用標(biao)準Modbus-RTU通(tong)信(xin)協議(yi)。程序(xu)設計時，分為四個(ge)通(tong)信(xin)任務。

模(mo)擬量輸(shu)入采(cai)集(ji)(ji)任(ren)務通(tong)過與六氟化硫氧氣模(mo)塊、溫濕(shi)度模(mo)塊的(de)485通(tong)信(xin)(xin)，根(gen)(gen)據(ju)傳感器通(tong)信(xin)(xin)協議(yi)(yi)，讀取(qu)(qu)相(xiang)應寄存器內的(de)SF6、O2、溫度、濕(shi)度等配電房模(mo)擬量環境參數(shu)。為了采(cai)集(ji)(ji)數(shu)據(ju)的(de)可靠性，采(cai)用(yong)軟(ruan)件(jian)濾波方式(shi)進行(xing)抗(kang)干擾軟(ruan)件(jian)設(she)計：每(mei)次采(cai)集(ji)(ji)15個數(shu)據(ju)，冒泡(pao)排序后取(qu)(qu)中間三(san)個數(shu)據(ju)的(de)平均(jun)值。此外，六氟化硫氧氣模(mo)塊需(xu)要定(ding)期進行(xing)校(xiao)(xiao)正(zheng)。因此，需(xu)要在該任(ren)務添加校(xiao)(xiao)正(zheng)程序，根(gen)(gen)據(ju)上位機發送(song)的(de)校(xiao)(xiao)正(zheng)命令，根(gen)(gen)據(ju)六氟化硫氧氣模(mo)塊的(de)校(xiao)(xiao)正(zheng)協議(yi)(yi)進行(xing)通(tong)信(xin)(xin)校(xiao)(xiao)正(zheng)。

LED屏顯(xian)示(shi)(shi)任(ren)務是采(cai)用(yong)單片(pian)機將采(cai)集(ji)的SF6、O2、溫度(du)、濕度(du)等參數(shu)通(tong)過Modbus-RTU協議，寫入(ru)LED顯(xian)示(shi)(shi)屏。為了提高通(tong)信效(xiao)率，采(cai)用(yong)批量寫入(ru)LED顯(xian)示(shi)(shi)屏對(dui)應寄存器，從而實現(xian)在LED顯(xian)示(shi)(shi)屏上滾(gun)動顯(xian)示(shi)(shi)相關環境監控參數(shu)，正常(chang)數(shu)據采(cai)用(yong)綠色顯(xian)示(shi)(shi)，異常(chang)數(shu)據采(cai)用(yong)紅(hong)色顯(xian)示(shi)(shi)。

觸(chu)摸(mo)屏(ping)從機(ji)通信任務(wu)中，單片機(ji)作為主機(ji)，觸(chu)摸(mo)屏(ping)作為從機(ji)，單片機(ji)通過Modbus-RTU協(xie)議批量(liang)(liang)將數據轉(zhuan)發給觸(chu)摸(mo)屏(ping)顯示。同時定期讀取觸(chu)摸(mo)屏(ping)上(shang)照明、風機(ji)、水泵等控(kong)制(zhi)按鈕的狀態(tai)，控(kong)制(zhi)相(xiang)關(guan)輸出(chu)的標志位(wei)，從而在開關(guan)量(liang)(liang)輸出(chu)控(kong)制(zhi)任務(wu)中執行相(xiang)關(guan)控(kong)制(zhi)。

在工(gong)控機(ji)主機(ji)通(tong)信(xin)中，單片(pian)機(ji)作為從(cong)機(ji)，工(gong)控機(ji)作為主機(ji)通(tong)過Modbus-RTU協議采集單片(pian)機(ji)中已經采集的各種開(kai)關量、模擬量環境參數(shu)，通(tong)過IEC104電(dian)力(li)規約上報電(dian)力(li)公司物(wu)聯網平(ping)(ping)臺。同(tong)時(shi)，電(dian)力(li)運(yun)維人員在APP或者(zhe)PC端控制命(ming)(ming)令通(tong)過物(wu)聯網平(ping)(ping)臺下(xia)發到工(gong)控機(ji)，工(gong)控機(ji)通(tong)過Modbus-RTU協議向單片(pian)機(ji)下(xia)發控制命(ming)(ming)令，單片(pian)機(ji)根(gen)據(ju)命(ming)(ming)令控制相關輸(shu)出的標志位，執行(xing)相關控制任(ren)務。

4.5聯動控制任務

為了(le)實(shi)(shi)現(xian)配電房環境(jing)參(can)(can)數(shu)和輸出控制對象的聯動(dong)，編寫聯動(dong)程(cheng)序。聯動(dong)程(cheng)序可以與上位機或者觸摸屏進行閾值(zhi)等參(can)(can)數(shu)設(she)置的交互，從(cong)而在原有(you)遠程(cheng)測控的基礎上，實(shi)(shi)現(xian)配電房環境(jing)參(can)(can)數(shu)的本地智能化聯動(dong)控制。

當六氟化(hua)硫(liu)(liu)濃度(du)到達(da)某個閾值(zhi)，自(zi)動(dong)開啟風機排(pai)出六氟化(hua)硫(liu)(liu)氣體；當溫度(du)濕度(du)達(da)到某個閾值(zhi)，空調自(zi)動(dong)打開調節溫度(du)濕度(du)；當水浸(jin)傳感(gan)器監測到有淹(yan)水時(shi)，自(zi)動(dong)打開水泵進行排(pai)水。

以(yi)上(shang)相(xiang)關報警信息也可以(yi)在配(pei)電室門上(shang)LED屏上(shang)實現實時(shi)報警顯(xian)示，以(yi)防配(pei)電運維人員進(jin)入造成六氟化(hua)硫(liu)中毒(du)等。

5安(an)科瑞配電(dian)室環境監控系統(tong)

5.1概述

配電室綜合監(jian)控系(xi)(xi)(xi)統包括(kuo)智能監(jian)控系(xi)(xi)(xi)統屏(ping)、通訊管理(li)機、UPS電源、視頻監(jian)控子(zi)系(xi)(xi)(xi)統（云臺球機、槍機）、環境監(jian)測子(zi)系(xi)(xi)(xi)統（溫度、濕度、水(shui)浸、煙感）、控制子(zi)系(xi)(xi)(xi)統（燈光、空調、除濕機、風機、水(shui)泵）、門禁監(jian)控子(zi)系(xi)(xi)(xi)統（讀卡(ka)器(qi)(qi)、開(kai)門按鈕、磁力鎖）、安(an)防監(jian)控子(zi)系(xi)(xi)(xi)統（雙鑒檢(jian)測器(qi)(qi)）。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建(jian)筑，學(xue)校，商(shang)業綜合體等35kV及(ji)以(yi)下(xia)用戶端供配(pei)電自動化系統工程設計(ji)、施工和運行維護。

5.3系統結構