基于云平臺的變電站電纜溝監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史中生 王愈凌

摘要：首先介紹了基于云平臺的變電站電纜溝監(jiān)控系統(tǒng)的組成及各部分作用，然后闡述了該系統(tǒng)的工作原理，最后分析了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站電纜溝的現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)，對于其他場合的智能監(jiān)控也具有參考價值。

關(guān)鍵詞：云平臺;電纜溝;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

變電站電纜溝位于地表下，不易觀察且檢修不便，往往成為變電站的安全“死角”。地溝電纜故障的發(fā)生通常為隱蔽漸進(jìn)式，一旦出現(xiàn)事故，通常難以挽回?fù)p失，嚴(yán)重時還會影響到變電站的安全生產(chǎn)和運(yùn)行。為此，設(shè)計(jì)了一種基于云平臺的變電站電纜溝監(jiān)控系統(tǒng)，可以較好地解決變電站電纜溝的監(jiān)控和維護(hù)問題。

1 系統(tǒng)組成及各部分作用

1.1 ? ?系統(tǒng)組成

變電站電纜溝監(jiān)控系統(tǒng)主要由可編程序控制器、執(zhí)行器、傳感器、觸摸屏、交換機(jī)、云平臺、智能終端等軟硬件組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 ? ?系統(tǒng)各部分作用

1.2.1 ? ?控制器

控制器用于監(jiān)測電纜溝水位、溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)，并依據(jù)環(huán)境參數(shù)控制變電站電纜溝的防火、排水、通風(fēng)等動作?？刂破魇亲冸娬倦娎|溝控制系統(tǒng)的核心器件，該系統(tǒng)采用PLC控制器，具有數(shù)字量的輸入、輸出端子，用于控制現(xiàn)場開關(guān)量;具有模擬量的輸入通道，用于輸入溫度等模擬量信號;具有RS485通信端子，用于和交換機(jī)的通信;具有RS422通信接口，用于和觸摸屏以及編程計(jì)算機(jī)的通信，以便實(shí)現(xiàn)程序的上下載和程序運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

1.2.2 ? ?執(zhí)行器

執(zhí)行器通過接收PLC的控制信號，去控制現(xiàn)場的防護(hù)動作。執(zhí)行器包括接觸器、電磁閥等，用于控制排水、通風(fēng)電動機(jī)的啟停以及滅火噴水閥門的開關(guān)，還可以用于現(xiàn)場開關(guān)量的自動控制。

1.2.3 ? ?傳感器

傳感器用于變電站電纜溝環(huán)境參數(shù)的采集，包括電纜溝內(nèi)水位、溫度、濕度、煙霧濃度等各種物理量。這些傳感器將各種非電量變成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電量，以開關(guān)量或模擬量的形式傳送給PLC，PLC通過程序控制執(zhí)行器動作，或?qū)⑦@些物理量傳送給觸摸屏、云平臺等。

1.2.4 ? ?觸摸屏

觸摸屏用于電纜溝現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。觸摸屏是PLC的上位機(jī)，具有多個通信接口，通過其USB接口，可以將觸摸屏的組態(tài)界面及參數(shù)設(shè)置從電腦下載到觸摸屏，也可以將組態(tài)界面上傳到PLC中進(jìn)行查看。觸摸屏通過RS485接口與PLC進(jìn)行通信，通過RS232接口與遠(yuǎn)程控制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，還可以通過存儲卡口進(jìn)行組態(tài)界面的下載或上傳。

1.2.5 ? ?交換機(jī)

該系統(tǒng)的交換機(jī)是一個可以將PLC中的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到云平臺的物聯(lián)網(wǎng)云盒子。云盒子和PLC間通過RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。物聯(lián)網(wǎng)云盒子通過WAN通信端口與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，作為向云平臺傳送數(shù)據(jù)的通道，通過LAN口可以將云盒子配置軟件所設(shè)置的信息下載至云盒子，或通過間接連接方式實(shí)現(xiàn)與其他器件的以太網(wǎng)連接。

1.2.6 ? ?云平臺

云平臺是一個提供網(wǎng)絡(luò)存儲和數(shù)據(jù)分析計(jì)算的軟硬件服務(wù)空間。利用云平臺可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，監(jiān)控界面組態(tài)運(yùn)行等，可以節(jié)省用戶的軟硬件成本，降低開發(fā)難度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享以及短信、微信的推送。

1.2.7 ? ?攝像頭

該系統(tǒng)中所用的攝像頭是網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用于對變電站電纜溝的現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)視，并將視頻圖像嵌入到組態(tài)監(jiān)控畫面中，也可以對現(xiàn)場情況進(jìn)行視頻存儲。

1.2.8 ? ?智能終端

該系統(tǒng)的智能終端包括智能手機(jī)、PC和iPAD等設(shè)備。通過手機(jī)APP可以進(jìn)行變電站電纜溝的實(shí)時監(jiān)控，也可以在PC上通過登錄網(wǎng)頁，實(shí)時監(jiān)控變電站電纜溝的各種物理量，還可以通過微信或短信實(shí)時推送報(bào)警信息。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 ? ?觸摸屏與PLC及上位機(jī)的通信

該系統(tǒng)中觸摸屏與PLC的通信采用RS485接口，需要使用專用的RS422—RS485通信線，因?yàn)镻LC端采用的是RS422全雙工的通信接口，觸摸屏端采用的是RS485接口，二者需要專用的通信線。

因?yàn)镻LC上RS485端要連接云交換機(jī)，RS422端要連接觸摸屏，考慮到PLC上的接口限制，所以上位機(jī)與PLC的通信可以通過觸摸屏上的RS485口進(jìn)行。需要強(qiáng)調(diào)的是，PLC的變量上傳到觸摸屏可以用定時式資料傳輸方式，而從觸摸屏向PLC傳輸位變量時不能用定時式資料傳輸方式，需要用觸摸屏上的宏指令進(jìn)行編程傳輸。上位機(jī)與觸摸屏之間的變量傳輸可以用Modbus RTU協(xié)議通過RS232口進(jìn)行，如果電腦上沒有RS232口，則需經(jīng)過RS232—USB進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是PL2303這個芯片已經(jīng)停產(chǎn)，在連接電腦的USB口時要對驅(qū)動進(jìn)行更新。

2.2 ? ?模擬量的處理

該系統(tǒng)中的模擬量主要指溫度和液位，需要使用溫度和液位傳感器，將溫度和液位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～10 V電壓信號，然后傳送給PLC，這就要求PLC具有模擬量輸入接口，可以將標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存儲在模擬量輸入寄存器中，供PLC編程使用。

2.3 ? ?云平臺的工程組態(tài)

（1）注冊云平臺賬戶：購買云交換設(shè)備后，可以在云平臺官網(wǎng)申請一個賬號，包括賬號和密碼，然后需要等待設(shè)備商的客服審核通過，之后申請的賬號才會生效。

（2）創(chuàng)建項(xiàng)目：利用申請的賬號輸入密碼登錄云平臺，在項(xiàng)目中心創(chuàng)建一個新項(xiàng)目。

（3）配置云設(shè)備：登錄配置軟件，添加云設(shè)備，設(shè)置網(wǎng)口及串口的通信參數(shù)及設(shè)備屬性，在變量區(qū)右鍵添加變量，下載到云設(shè)備，上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

（4）通信連接：電腦網(wǎng)口連接云設(shè)備的LAN口，互聯(lián)網(wǎng)線連接云設(shè)備的WAN口，這樣就可以和本地電腦及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和程序下載等，同時可以在云平臺上的云盒子信息選項(xiàng)中查看云盒子的情況及是否已經(jīng)與PLC設(shè)備聯(lián)通，也可以在云配置軟件中通過監(jiān)視快捷方式進(jìn)行變量的狀態(tài)監(jiān)控，如果PLC和云盒子通信正常，則變量后邊會顯示good，如果通信不成功，則變量后邊會顯示bad。

（5）云項(xiàng)目組態(tài)：進(jìn)入云平臺的項(xiàng)目中心，在設(shè)備監(jiān)控中選擇編輯組態(tài)，設(shè)置手機(jī)和電腦端畫面即可進(jìn)行項(xiàng)目組態(tài)，可以在項(xiàng)目組態(tài)畫面中組態(tài)按鈕、指示燈、數(shù)據(jù)量的輸入、輸出等元件并進(jìn)行相應(yīng)的變量和參數(shù)設(shè)置。

（6）手機(jī)端查看：通過掃描物聯(lián)網(wǎng)云平臺的官網(wǎng)二維碼，可以下載云平臺的手機(jī)APP并安裝，或者關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)云平臺的公眾號下載微信小程序，可以進(jìn)入云平臺的項(xiàng)目中心，選中已有項(xiàng)目，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)監(jiān)控，查看實(shí)時數(shù)據(jù)，也可以查看變電站電纜溝現(xiàn)場的視頻監(jiān)視畫面。

（7）電腦端查看：進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過賬號和密碼，登錄云平臺客戶項(xiàng)目，然后在監(jiān)控界面對項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ? ?觸摸屏界面組態(tài)設(shè)計(jì)

3.1.1 ? ?觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本機(jī)觸摸屏按照觸摸屏的實(shí)際型號設(shè)置。

本機(jī)PLC按照實(shí)際所用的PLC型號進(jìn)行選擇。

本機(jī)服務(wù)器選擇Modbus server，協(xié)議選擇標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU。

3.1.2 ? ?界面組態(tài)

（1）定時式資料傳輸：選中定時式資料傳輸元件，點(diǎn)擊“新增”按鈕，即可打開定時式資料傳輸屬性設(shè)置對話框，正確設(shè)置屬性、來源地址和目標(biāo)地址，即可新增一個定時式資料傳輸元件，實(shí)現(xiàn)PLC和觸摸屏之間的變量信息傳輸。

（2）宏指令：觸摸屏的宏指令用于實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的功能。在觸摸屏的工具菜單中，通過宏指令進(jìn)行編程，然后在元件的PLC控制中執(zhí)行宏指令程序。該系統(tǒng)中主要應(yīng)用了GetData和SetDataEx指令，其能實(shí)現(xiàn)PLC和觸摸屏之間的位變量的讀寫功能，以及實(shí)現(xiàn)觸摸屏向PLC的模擬量信息傳輸。

（3）界面組態(tài)：可以創(chuàng)建多個畫面，畫面之間可以進(jìn)行切換，可以在畫面上進(jìn)行按鈕、指示燈、數(shù)字量的輸入和顯示，以及棒圖、動畫、靜態(tài)文本等元素的組態(tài)。

3.2 ? ?上位機(jī)的界面組態(tài)

上位機(jī)通過組態(tài)軟件可以對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)采用力控組態(tài)軟件，具體設(shè)置和組態(tài)方法如下：

3.2.1 ? ?組態(tài)界面設(shè)置

該組態(tài)軟件與觸摸屏之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)行上下位機(jī)通信，其中觸摸屏是上位機(jī)，PLC是下位機(jī)。在觸摸屏上添加本機(jī)服務(wù)器，PLC類型選擇Modbus server，接口類型選擇RS232。

在組態(tài)界面中，I/O設(shè)備組態(tài)選擇標(biāo)準(zhǔn)Modbus，Modbus RTU。

在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中建立模擬I/O點(diǎn)和數(shù)字I/O點(diǎn)，并設(shè)置對應(yīng)的Modbus地址。

3.2.2 ? ?界面組態(tài)

（1）新建窗口：右擊窗口，點(diǎn)擊新建窗口。

（2）放置元件：在工具箱中選擇需要的基本圖元和常用組件，進(jìn)行變量鏈接和設(shè)置。

（3）組態(tài)后的界面，可以在運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變電站電纜溝的中控室集中監(jiān)控。

3.3 ? ?云平臺的界面組態(tài)

（1）插入背景圖片：在圖庫-企業(yè)圖庫或項(xiàng)目圖庫中點(diǎn)擊“+”，選擇.png格式的圖片，即可插入到界面中。

（2）設(shè)置背景色：在畫布中設(shè)置背景色。

（3）插入靜態(tài)文本：可對靜態(tài)文本進(jìn)行設(shè)置。

（4）插入動態(tài)文本：在變量控件中選擇動態(tài)文本，改變對應(yīng)變量的值可以顯示不同的文本。

（5）歷史曲線：到項(xiàng)目中心實(shí)時數(shù)據(jù)中收藏變量，在歷史曲線中選擇要顯示的曲線。

（6）實(shí)時曲線：顯示變量的實(shí)時變化趨勢。

（7）超鏈接：用于鏈接第三方網(wǎng)站。

（8）水流效果：水流效果受變量控制。

（9）數(shù)碼管：用于顯示變量的值。

（10）設(shè)置背景色：在畫布上勾選背景，選擇想要的背景色，然后確定。

（11）位按鈕：按下位按鈕，可以實(shí)現(xiàn)置位、復(fù)位、取反、按0松1、按1松0等功能。

（12）字按鈕：按下字按鈕，可以輸入不同的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)變量的輸入、輸出。

（13）實(shí)時報(bào)警：先在配置軟件中設(shè)置變量報(bào)警屬性，下載到云交換機(jī)中，然后在組態(tài)畫面中添加實(shí)時報(bào)警控件，設(shè)置需要的報(bào)警功能。

（14）畫面跳轉(zhuǎn)：在按鈕中設(shè)置畫面跳轉(zhuǎn)。

（15）棒圖：用于圖示變量的值，使變量的顯示更加直觀形象。

（16）彈出式畫面：在按鈕中設(shè)置彈出式畫面。

3.4 ? ?智能終端應(yīng)用

3.4.1 ? ?電腦端和iPad端應(yīng)用

通過賬號和密碼，登錄物聯(lián)網(wǎng)云平臺，即可查看所創(chuàng)建的項(xiàng)目，并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，也可以進(jìn)行現(xiàn)場的視頻監(jiān)視。

3.4.2 ? ?手機(jī)端查看

在手機(jī)端可以通過微信小程序或云平臺公眾號的“遠(yuǎn)程監(jiān)控”—“設(shè)備監(jiān)控”進(jìn)行項(xiàng)目查看。

3.4.3 ? ?微信和短信報(bào)警設(shè)置

（1）在云平臺上進(jìn)行設(shè)置：在云平臺項(xiàng)目界面的信息中心設(shè)置推送信息的選項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)多種信息的報(bào)警功能。

（2）在公眾號上進(jìn)行設(shè)置：在公眾號的“遠(yuǎn)程監(jiān)控”—“報(bào)警設(shè)置”進(jìn)行手機(jī)號的綁定和解綁，可以設(shè)置用于接收報(bào)警信息的手機(jī)。

4 結(jié)語

變電站電纜溝監(jiān)控系統(tǒng)是一個綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，運(yùn)用了傳感器、觸摸屏、PLC、云平臺、通信等多方面的知識和技術(shù)，尤其是在通信方面，運(yùn)用了宏指令和Modbus協(xié)議。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的觸摸屏監(jiān)控，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的中控室控制，還可以實(shí)現(xiàn)電腦、手機(jī)等遠(yuǎn)程終端的監(jiān)控。該系統(tǒng)除了用于變電站電纜溝的監(jiān)控以外，還可以用于工業(yè)和民用的諸多場合，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

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收稿日期：2021-04-02

作者簡介：史中生（1968—），男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，主要從事自動控制研究工作。