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。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 吳靚,謝珍貴.發(fā)電廠及變電站電氣設(shè)備[M].北京:中國水利水電出版社,2004.
[2] 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.
[3] 吉順平,孫承志,路明,等.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.
[4] 張振國.工廠電氣與PLC控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.
[5] 劉小春.電氣控制與PLC技術(shù)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.
[6] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.
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。