基于S7-1200 PLC的實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

秦思，殷武威，李家薪，陳彬

摘要：以全面提升實(shí)驗(yàn)室用電安全為核心目的，建立在具體案例的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用電安全監(jiān)控保護(hù)裝置，該裝置利用信息技術(shù)構(gòu)建智能化的監(jiān)控體系，選擇西門子S7-1200 PLC作為主控設(shè)備、選擇基于MODBUS通信協(xié)議的多路功率電能采集模塊作為檢測(cè)設(shè)備、結(jié)合固態(tài)繼電器作為斷電保護(hù)裝置。這種用電監(jiān)控保護(hù)裝置可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)實(shí)訓(xùn)室的實(shí)際用電情況，同時(shí)結(jié)合最大功率的閾值設(shè)定，確保每一間實(shí)訓(xùn)室的用電安全，若出現(xiàn)異常狀態(tài)能夠及時(shí)地進(jìn)行統(tǒng)一管理。

關(guān)鍵詞：實(shí)訓(xùn)室；安全用電；監(jiān)控保護(hù)；系統(tǒng)設(shè)置

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）33-0077-03

實(shí)訓(xùn)室是為學(xué)生提供學(xué)習(xí)和實(shí)操的重要場(chǎng)所，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的基地。近年來隨著高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不斷更新和增加，用電安全是實(shí)訓(xùn)室日常管理中的重要一項(xiàng)任務(wù)。而目前對(duì)于絕大部分的實(shí)訓(xùn)室，尤其是工科技術(shù)類的實(shí)訓(xùn)室，這種實(shí)訓(xùn)室涉及大量的用電設(shè)備，電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行將直接決定實(shí)訓(xùn)室的用電安全。

本文將重點(diǎn)從案例分析以及理論分析的角度入手，具體闡述基于S7-1200 PLC的實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，綜合具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用展開，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)項(xiàng)目的開展提供參考依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論及背景分析

在當(dāng)前絕大部分實(shí)訓(xùn)室運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，由于涉及大量的用電設(shè)備，一旦出現(xiàn)電源系統(tǒng)問題，便有可能使設(shè)備死機(jī)、故障，甚至導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱、短路，這些都是引發(fā)火災(zāi)的關(guān)鍵因素。除此之外，實(shí)訓(xùn)室自身的用電情況存在一定的不確定性，可能根據(jù)不同的項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，這種不確定性勢(shì)必會(huì)對(duì)實(shí)訓(xùn)室電力系統(tǒng)造成的一定的影響。為解決這一矛盾，就需要在前期電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中調(diào)整最大功率閾值，這樣才可以滿足實(shí)訓(xùn)室的實(shí)際運(yùn)行需求。

目前絕大部分的實(shí)訓(xùn)室采用的主要是改變最大功率閾值的方式，這種方式主要是依賴不同類型空氣開關(guān)來進(jìn)行調(diào)控，但是空氣開關(guān)成本較高，檔位調(diào)節(jié)也有一定的限制[1]，因此打造更加科學(xué)、人性化、安全的用電管理體系，已經(jīng)成為多方關(guān)注的重點(diǎn)。

從性能層面來講，安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置主要是針對(duì)單個(gè)實(shí)訓(xùn)室或者多個(gè)實(shí)訓(xùn)室的用電情況進(jìn)行統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控情況分析可能出現(xiàn)的異常，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)地進(jìn)行區(qū)域斷電，以避免危害的擴(kuò)大。同時(shí)結(jié)合具體的項(xiàng)目用電需求以及變化靈活的調(diào)整閾值功率，最大限度地杜絕用電隱患。安全用電管理體系能在降低人員工作壓力的同時(shí)，也能夠有效地增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)室用電管控的時(shí)效性以及精細(xì)化程度。

從需求層面來講，隨著我國(guó)節(jié)能減排政策的落實(shí)，實(shí)訓(xùn)室的電能管控也需要以節(jié)約能源為落腳點(diǎn)。這勢(shì)必就要求在學(xué)生在實(shí)訓(xùn)結(jié)束之后，安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的智能遠(yuǎn)程斷電，避免造成能源的浪費(fèi)，精準(zhǔn)預(yù)防安全事故的發(fā)生。

2 實(shí)訓(xùn)室用電監(jiān)控保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案

結(jié)合實(shí)際情況來看，不同的實(shí)訓(xùn)室在開展不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目時(shí)使用的電力功率有一定的差異性，因此安全用電保護(hù)裝置的閾值設(shè)置要滿足不同功率的實(shí)際使用需求。本文所提出的安全用電保護(hù)裝置，其核心在于可以通過軟調(diào)節(jié)的方式控制最大功率閾值，也可通過人機(jī)交互界面設(shè)定不同項(xiàng)目的最大功率閾值。

這種靈活調(diào)整方式能滿足同一實(shí)訓(xùn)室內(nèi)不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目同時(shí)開展時(shí)的實(shí)際用電需求，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控包括電流、負(fù)載性質(zhì)、電壓、功率在內(nèi)的多種參數(shù)，若某一參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)迅速地?cái)嚅_相對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)，并維持其他系統(tǒng)的正常供電。這種方式不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室電力系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，更能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化管理，而想要達(dá)成這樣的目的，就必須科學(xué)選擇安全用電裝置的軟件系統(tǒng)以及硬件配套體系。

首先系統(tǒng)采取的功率電能采集模塊主要獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等相關(guān)動(dòng)態(tài)性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊利用MODBUS-RTU構(gòu)建通信協(xié)議。利用RS-485通信模塊，確保多個(gè)模塊能夠集成運(yùn)行[2]；為了便于人機(jī)交互，選擇可觸摸的液晶顯示屏來顯示數(shù)據(jù)，并且提供人工控制界面。整體設(shè)置的系統(tǒng)簡(jiǎn)單便于操作，單人便可以進(jìn)行操控。

2.1 控制器

本系統(tǒng)中的控制核心選擇西門子S7-1200系列PLC，該P(yáng)LC具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用。由于該控制器具有可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì)，符合工業(yè)通信最高標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，以及全面的集成工藝功能，因此它可以作為一個(gè)組件集成在完整的綜合自動(dòng)化解決方案中。

2.2 集成化模塊

為了確保多個(gè)模塊能夠集成為一套完整的運(yùn)行系統(tǒng)，各實(shí)訓(xùn)室的采集設(shè)備與主控室的主控制器之間均采用RS-485串行總線的方式進(jìn)行模塊連接，多項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過一根電纜便可實(shí)現(xiàn)集中傳輸，并在主控制器連接的人機(jī)交互界面中顯示，最大限度地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成。

2.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要負(fù)責(zé)顯示模塊采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息以及異常用電情況發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)各實(shí)訓(xùn)室整體用電狀態(tài)的監(jiān)控。此外液晶顯示屏也能通過人工設(shè)定的方式對(duì)每間實(shí)訓(xùn)室的最大功率閾值進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。如圖1所示，便是整體用電監(jiān)控系統(tǒng)的控制框圖，不僅可以實(shí)現(xiàn)綜合管理，也可以通過遠(yuǎn)程遙控的方式實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整。

3 用電監(jiān)控保護(hù)裝置子模塊分析

為全面提升整體系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量，還需要結(jié)合相應(yīng)的子模塊進(jìn)行功能優(yōu)化，確保模塊可以集成運(yùn)行，也能夠分工合作。

3.1 主控芯片

本系統(tǒng)的核心控制器采用S7-1200系列PLC，利用串口通信功能和功率電能采集模塊以及人機(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此需要打造多個(gè)通信接口，但是CPU1212本體上僅支持網(wǎng)口通信，因此還需要具備RS-485串行通信接口。結(jié)合控制系統(tǒng)的功能以及安全穩(wěn)定要求，在綜合各項(xiàng)因素考慮之后選擇CPU1212 DC/DC/DC晶體管型PLC，同時(shí)配備CB1241 RS-485通信板卡。

3.2 采集模塊

采集模塊主要以功率電能采集為主，本次系統(tǒng)采用多組正泰DTSU666的計(jì)量模塊，每間實(shí)訓(xùn)室安裝一塊，該電能計(jì)量模塊能夠精準(zhǔn)地定位不同實(shí)訓(xùn)室的運(yùn)行電壓、電流、功率因數(shù)、能耗等相關(guān)數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU通信協(xié)議報(bào)文傳輸至PLC。

除此之外，為了進(jìn)一步滿足用電管理裝置遠(yuǎn)程操控的需求，多路功率電能采集模塊和PLC S7-1200之間還需要建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸體系，該體系將多個(gè)功率電能采集模塊和S7-1200 PLC通過RS-485連接在一起，連成總線通信網(wǎng)絡(luò)，輔之以穩(wěn)定可靠的輪詢控制程序，以實(shí)現(xiàn)多間實(shí)訓(xùn)室的用電監(jiān)控，輪詢控制部分程序如圖2所示。

其中MB_ADDR設(shè)置為11為1號(hào)實(shí)訓(xùn)室電能數(shù)據(jù)采集模塊地址，416386為采集模塊存儲(chǔ)電能數(shù)據(jù)的寄存器地址，48194為采集模塊存儲(chǔ)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)的寄存器地址，由于MODBUS查詢開始后，背景數(shù)據(jù)塊將鎖定，其他客戶端無法使用，因此需利用輪詢操作實(shí)現(xiàn)同一指令多次調(diào)用的遍歷。

3.3 固態(tài)繼電器

為了確保電力安全保護(hù)裝置能夠在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)地執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，還需要在裝置中安裝繼電器，本方案中選擇的繼電器為固態(tài)繼電器，其核心在于實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制[3]。首先能夠?qū)崿F(xiàn)器件的隔離或者控制端與設(shè)備端的隔離，其次可以利用小信號(hào)控制大負(fù)載。固態(tài)繼電器能夠?qū)崿F(xiàn)直流控制交流、交流反控直流、交流控制交流這三種不同的控制方法，本案例中主要為直流控制交流這一方法，通過PLC的I/O口來控制固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器另外兩端接220V交流。

該種控制方式不僅具有較高的可靠性，也能夠快速地進(jìn)行安全故障的定位，快速執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。只需要利用PLC的I/O口輸出邏輯電平信號(hào)，便能夠?qū)崿F(xiàn)電路的開斷控制。

4 用電管理裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于用電保護(hù)裝置本身涵蓋大量的硬件系統(tǒng)，還需要完善的軟件程序進(jìn)行連接和控制，這樣才可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。本方案中首先需要實(shí)現(xiàn)RS485串口的初始化，確保多個(gè)串口能夠獨(dú)立運(yùn)作，不會(huì)影響HMI的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；觸摸屏設(shè)置好每間實(shí)訓(xùn)室的最大功率閾值后，還需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 中，PLC 結(jié)合這些數(shù)據(jù)為變能采集模塊下方指令以及信息，電能采集模塊針對(duì)實(shí)訓(xùn)室的各個(gè)項(xiàng)目以及用電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控[4]。若出現(xiàn)用電異常以及故障等情況，PLC 控制固態(tài)繼電器，及時(shí)地執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，其具體流程見圖3。

5 用電保護(hù)系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)分析

依托上文所示的硬件組裝體系以及軟件控制系統(tǒng)，針對(duì)實(shí)訓(xùn)室安全用電保護(hù)裝置落實(shí)系統(tǒng)調(diào)控，并且進(jìn)行常規(guī)的用電實(shí)驗(yàn)分析裝置，是否能夠提供完善的用電安全保護(hù)服務(wù)。

首先需要在HMI上，結(jié)合實(shí)訓(xùn)室的實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)置最大功率閾值；其次，在屏幕上讀取并且記錄實(shí)訓(xùn)室項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電流、電壓、功率、功率因數(shù)等相關(guān)信息；工作人員利用萬能表以及前行電流表，檢測(cè)測(cè)量工具讀取到的電壓、電流、功率、功率因數(shù)；和液晶顯示屏上顯示的數(shù)字進(jìn)行對(duì)比，分析二者是否存在差異。

再次，重新設(shè)置較小的功率閾值，分析固態(tài)繼電器是否能夠正常運(yùn)作。若檢測(cè)到的數(shù)據(jù)大于原有的最大功率閾值，實(shí)驗(yàn)室是否能夠及時(shí)斷電，所有數(shù)據(jù)是否可以存檔[5]。

按照以上檢測(cè)流程以及檢測(cè)重點(diǎn)，針對(duì)三個(gè)用電類的實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行全方位測(cè)試。按照學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程中的實(shí)際流程執(zhí)行項(xiàng)目試驗(yàn)，結(jié)果顯示在設(shè)定額定功率遠(yuǎn)大于設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所檢測(cè)到的功率時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的電力運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好；當(dāng)設(shè)定的功率閾值小于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備檢測(cè)的功率數(shù)值時(shí)，實(shí)驗(yàn)室會(huì)在固態(tài)繼電器的影響下斷電，其具體的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，用電安全保護(hù)裝置可以在實(shí)驗(yàn)室用電出現(xiàn)問題情況時(shí)，能迅速地切斷電路，能夠有效提升整體系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；系統(tǒng)裝置自動(dòng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和人工檢測(cè)數(shù)據(jù)之間并不存在較大差異，能夠有效滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)以及精細(xì)化管理的需求[6]。

6 結(jié)論

基于S7-1200的實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)可以幫我們打造安全穩(wěn)定的實(shí)訓(xùn)室用電保護(hù)體系，該裝置不僅可以及時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)室的用電標(biāo)準(zhǔn)，也能夠通過遠(yuǎn)程管理以及人機(jī)交互的操控方式，進(jìn)行精細(xì)化管理。不同實(shí)訓(xùn)室以及不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)定最大功率閾值能緩解電力系統(tǒng)壓力，同時(shí)也可確保用電系統(tǒng)的穩(wěn)定。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸可靠、能極大地提高實(shí)訓(xùn)室用電的安全性，有一定的應(yīng)用及與推廣價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】