某型機車遠程電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)設計

姚陽，楊存平，王際

（資陽中車電氣科技有限公司，資陽 641300）

引言

電氣控制柜是機車的控制中樞，目前某些國產(chǎn)機車的電氣控制控制臺柜依舊停留在定期進行人工維護和檢查的階段中，在列車運行過程中無法對這類電氣控制設備的健康狀況進行檢查。因而設計電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)對電氣控制柜中各項數(shù)據(jù)進行實時的高精度數(shù)據(jù)采集，并通過無線通訊技術傳輸至遠端上位機，在上位機上實時反映電氣控制柜各項電力參數(shù)以及柜內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的電氣控制柜相比，加入該監(jiān)控系統(tǒng)的電氣控制柜在運行的安全和可控上實現(xiàn)了較大的提升：電氣控制柜可遠程與計算機進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測、預警及存儲；而且依靠各型傳感器實時感知電控柜內(nèi)部異常環(huán)境變化，一旦出現(xiàn)緊急情況，及時發(fā)出預警并遠程斷開回路，工程技術人員可在第一時間對故障進行排查與維護，提高了機車配電安全性及可控性。

1 系統(tǒng)總體方案設計

機車電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)基于用戶對現(xiàn)場電氣控制柜內(nèi)重要電氣部件配電情況監(jiān)測的需求，采用51系列單片機結(jié)合各種傳感器設計組成智能儀器，采用PC（結(jié)合LabVIEW軟件）構(gòu)成上位機，對電氣控制柜關鍵回路上的電壓、電流、功率以及功率因數(shù)進行監(jiān)測。在Lab-VIEW軟件開發(fā)環(huán)境下，利用圖形化編程語言，開發(fā)上位機監(jiān)控程序，進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。具備數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)存盤、導出等功能，并對設備運行過程中各項電能數(shù)據(jù)設置閥值，一旦超標，立即通過聲光方式進行預警，并及時驅(qū)動繼電器斷電保護電路，快速控制意外情況造成的損失和傷害擴大。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用模塊化設計，電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)設計主要由數(shù)據(jù)采集終端設備、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機組成[1]。數(shù)據(jù)采集終端設備主要是以STC89C52單片機為核心，結(jié)合電流、電壓互感器，溫濕度傳感器、聲光報警電路、LCD12864顯示單元以及繼電器保護電路（上位機發(fā)送指令，由單片機控制繼電器的來斷開或者閉合回路）構(gòu)成下位機，完成數(shù)據(jù)的采集傳輸以及電氣回路的控制。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負責數(shù)據(jù)的實時傳輸通訊，將各路傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過STC89C52處理后由GPRS無線傳輸模塊進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。這種無線傳輸方式相較于有線傳輸成本優(yōu)勢明顯，適合遠距離且數(shù)據(jù)量不大的數(shù)據(jù)傳輸。上位機主要由PC借助LabVIEW（虛擬儀器）為開發(fā)平臺進行編程。上位機主要負責電力參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控：當電氣控制柜發(fā)生異常及時預警以及提供數(shù)據(jù)存儲功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常，上位機會將預警部分加以顯示，并且對異常情況進行記錄。工作人員不僅能夠?qū)Ξ斍皵?shù)據(jù)實時觀測，也能夠查詢以往數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)存盤，電力數(shù)據(jù)會以Excle的格式進行數(shù)據(jù)存儲，結(jié)合監(jiān)控軟件可實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的讀取，并且以波形圖的形式更加直觀復現(xiàn)[2]。

2 硬件系統(tǒng)設計

電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)采用模塊化設計。下位機主要包括以STC89C52為核心的主控制器、前端數(shù)據(jù)采集電路（電壓、電流互感電路）、溫濕度傳感器電路、繼電器保護電路、預警電路、顯示電路以及GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送模塊；上位機主要是由STC89C52主控制器、GPRS數(shù)據(jù)接收模塊和PC組成。下位機主要承擔電氣控制柜電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸以及配電箱運行環(huán)境的監(jiān)測和保護；上位機主要負責數(shù)據(jù)的接收、顯示、預警和保存以及控制電氣控制柜電氣回路。硬件系統(tǒng)設計以設計需求為出發(fā)點，通過分析設計需求，硬件選型、硬件電路設計和調(diào)試來完善硬件系統(tǒng)設計。

2.1 電能數(shù)據(jù)采集端設計

1）電壓互感器模塊

電壓互感器是系統(tǒng)的前端電壓調(diào)理部分，采用變比為2 mA/2 mA板載精密電壓互感器，板載高精度運放電路，可以對信號精確采樣和做適當?shù)难a償?shù)裙δ?，模塊可以測量1 200 V以內(nèi)的交流電，對應模擬輸出可以調(diào)節(jié)，輸出的波形為正弦波，輸出的波形可以調(diào)節(jié)。

2）電流互感器模塊

電流互感器的感知電流的方式和變壓器原理類似。電流調(diào)理部分采用變比20 000：1 的電流互感器，將大電流轉(zhuǎn)化成小電流，然后經(jīng)電阻將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入到CS5460A電能計量芯片相應管腳，并在前端電路加入RC濾波電路對信號初步濾波。經(jīng)過CS5460A電能計量芯片的A/D轉(zhuǎn)換以及DSP處理，再由芯片輸出端以脈沖輸出的方式進行電流計算。在本設計中取電流互感器的量程為0～1 000 A。

3）CS5460A電能計量模塊

CS5460A是美國Cirrus Logic公司推出的一款用于專門測量電壓、電流、功率和能量的集成芯片。芯片輸出脈沖頻率與有功能量成正比，將脈沖輸出管腳連接至CPU，單片機能夠快速的計算電能數(shù)據(jù)。許多的電能計量儀表都采用此款芯片進行開發(fā)，芯片內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，省去了許多的轉(zhuǎn)換電路設計，縮短了開發(fā)時間。結(jié)合CS5460A的特性，系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集電路采用這款芯片進行電能計量[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電能數(shù)據(jù)采集端電路設計如圖2所示。

圖2 電能數(shù)據(jù)采集端電路設計

2.2 溫濕度采集電路設計

本文主要針對的是某型機車電氣控制柜，機車在運動過程中會使得機車整體包括配電箱的使用環(huán)境會發(fā)生巨大的區(qū)域與時間變化。不同地域的溫濕度差別較大，不同時間特別是早晨、夜晚，氣溫的變化也較大，空氣濕度的增加都容易造成機車電氣控制柜壁結(jié)露甚至凝霜，很容易造成電氣控制柜內(nèi)部回路接觸點出線短路或者接觸不良，危害機車用電安全。因此選擇溫濕度傳感器進行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，對溫度、濕度設置合適的閾值并且與聲光報警電路結(jié)合。當溫度或者濕度超出閾值，聲光報警電路及時預警。溫濕度傳感器DHT11與STC89C52的連接如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器與單片機的連接圖

2.3 報警電路設計

報警電路由蜂鳴器和LED發(fā)光二極管構(gòu)成報警電路提供聲光報警。單片機設置的參數(shù)超過對應設置的閾值時，會觸發(fā)LED二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲。報警電路設計如圖4所示。

圖4 聲光報警電路

2.4 顯示電路設計

顯示的參數(shù)主要包括：電壓、電流、功率以及功率因數(shù)，還有包括溫濕度傳感器獲取的溫度、濕度，LCD12864還需要實時顯示電氣控制柜內(nèi)部工作環(huán)境是否正常（如果電氣控制柜內(nèi)部溫度、濕度或者發(fā)生電氣火災都會顯示設備報警）。LCD12864液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD12864液晶顯示電路設計

3 軟件系統(tǒng)設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計主要包括上位機程序和下位機程序。上位機借助LabVIEW為平臺主要完成登陸界面的編程開發(fā)、數(shù)據(jù)顯示界面、故障預警以及數(shù)據(jù)存盤（電力參數(shù)抄表功能）。下位機主要是由各路傳感器以及預警電路組成[4]。下位機控制核心為STC89C52型單片機，主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)顯示及故障預警子程序、串口通訊子程序和主程序組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 登陸界面設計

登錄界面主要是針對用戶開發(fā)的賬戶管理界面，用戶必須輸入特定的用戶名和對應的密碼才可以進入監(jiān)控界面。用戶可以在更改用戶名與密碼，但是需要更改用戶名和密碼的權(quán)限（程序經(jīng)過加密，沒有權(quán)限密碼不能修改程序）。機車電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)界面的登陸界面如圖7所示。

圖7 智能電氣配電箱監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面

3.2 選擇界面設計

機車上往往不只有一個電氣控制柜，電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)在設計時就考慮到了監(jiān)控系統(tǒng)可以針對機車上的一個電氣控制柜或者多個電氣控制柜進行監(jiān)測。監(jiān)測對象的選擇界面如圖8所示。

圖8 電氣控制柜數(shù)據(jù)監(jiān)控選擇界面

3.3 監(jiān)控界面設計

監(jiān)控系統(tǒng)最重要的是實時監(jiān)測電氣控制柜各項電力參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)。界面主要顯示各項電力參數(shù)以及當前溫濕度值，同時在每個監(jiān)測參數(shù)后面設計雙色指示燈作為提示，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出規(guī)定的閾值，指示燈將由綠色變?yōu)榧t色。對電氣控制柜一路母線和三路出線的電壓、電流、功率以及功率因數(shù)進行實時顯示，并且為電壓、電流、溫度、濕度設計閾值，當實時檢測值大于閾值時會觸發(fā)報警。并且以波形圖的形勢將功率譜直觀的顯示在監(jiān)控界面前面板上，增加數(shù)據(jù)存盤功能，用戶可以對當前數(shù)據(jù)進行保存供日后調(diào)用查詢。監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 監(jiān)控界面

3.4 數(shù)據(jù)采集主程序設計

電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)主程序設計是下位機程序設計的核心；主程序主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序以及GPRS/12864初始化[5]。下位機數(shù)據(jù)采集主程序的框圖如10所示。

圖10 下位機數(shù)據(jù)采集主程序框圖

3.5 串口通訊程序設計

CS5460A電能計量芯片與STC89C52的串行通訊如圖11所示。

3.6 數(shù)據(jù)采集子程序程序設計

數(shù)據(jù)采集終端控制核心STC89C52單片機初始化后，電能計量芯片CS5460A上電復位，而后接收并處理來自電壓、電流互感器傳輸?shù)哪M信號，在CS5460A內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)化并進行數(shù)字信號處理。單片機核心不斷查詢是否讀完，讀完后進行數(shù)據(jù)存盤。數(shù)據(jù)采集的流程如圖12所示。

圖11 串行通訊程序流程

圖12 數(shù)據(jù)采集子程序流程

4 結(jié)論

本論文主要針對某型機車電氣控制控制臺柜等電氣控制設備依舊停留在定期進行人工維護和檢查的階段中，在列車運行過程中無法對這類電氣控制設備的健康狀況進行檢查。因而設計電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)對電氣控制內(nèi)部關鍵參數(shù)進行實時的高精度數(shù)據(jù)采集，并通過最新數(shù)字無線通訊技術傳輸至后臺監(jiān)測控制系統(tǒng)，通過上位機監(jiān)測控制軟件實時反映電力參數(shù)以及環(huán)境狀態(tài)，同時為電氣控制柜增加了可遠程控制斷開回路功能。重點研究的是LabVIEW 與嵌入式開發(fā)的融合，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)在多種工作環(huán)境中有效監(jiān)視電氣控制柜的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、預警并且處理故障，在電氣控制柜電力參數(shù)監(jiān)測與可控性方面具有較好的應用前景。