計(jì)量器具智能周轉(zhuǎn)柜系統(tǒng)研制

陳建進(jìn)

(杭州世創(chuàng)電子技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311121)

0 引言

傳統(tǒng)的電能計(jì)量資產(chǎn)管理普遍采用周轉(zhuǎn)箱和電能資產(chǎn)原包裝進(jìn)行存儲(chǔ)，不僅占地面積大、存儲(chǔ)效率低，而且存取不便、勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]；各基層供電公司、供電所的電能表領(lǐng)用流程還停留在手工登記階段，搶修零散用表經(jīng)常出現(xiàn)先領(lǐng)用再補(bǔ)工單、領(lǐng)用無人監(jiān)督的現(xiàn)象，無法有效管理和統(tǒng)計(jì)領(lǐng)用卻未安裝到現(xiàn)場的電能表，給基層供電公司的電能表庫存管理帶來了困難[2]。隨著電力計(jì)量器具的大規(guī)模應(yīng)用，建設(shè)智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)已成為電力行業(yè)計(jì)量資產(chǎn)管理與運(yùn)營的發(fā)展趨勢[3-6]。國家電網(wǎng)公司明確要求計(jì)量器具達(dá)到“自動(dòng)化檢定、集中倉儲(chǔ)、物流化配送”[7]。省級計(jì)量中心的核心任務(wù)是建設(shè)智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，提升計(jì)量業(yè)務(wù)的管理水平[8-10]。

本文設(shè)計(jì)了計(jì)量器具智能周轉(zhuǎn)柜系統(tǒng)。

1 原理與設(shè)計(jì)

智能周轉(zhuǎn)柜系統(tǒng)包含存儲(chǔ)控制單元和計(jì)算機(jī)軟件兩大部分。

1.1 存儲(chǔ)控制單元

存儲(chǔ)控制單元主要包括控制柜、存儲(chǔ)柜、各類監(jiān)控傳感器等，采用模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，控制柜、存儲(chǔ)柜根據(jù)用戶需求可進(jìn)行左拼或右拼，拼裝靈活自由[11]；控制柜包含計(jì)算機(jī)主機(jī)、觸摸屏、讀寫器、音箱、網(wǎng)絡(luò)接口、后備電源、攝像頭等組件。存儲(chǔ)柜由存儲(chǔ)板、傳感器、電子鎖、LED顯示屏等組成，用于存放計(jì)量器具。電力公司計(jì)量中心存儲(chǔ)和管理的計(jì)量器具主要包括單相電能表、三相電能表、低壓電流互感器和用電信息采集終端[12]。單個(gè)存儲(chǔ)柜體設(shè)置6～9層存儲(chǔ)板[13]。存儲(chǔ)板按存儲(chǔ)產(chǎn)品的不同，分為單相表存儲(chǔ)板(兼容采集器存儲(chǔ))和三相表存儲(chǔ)板(兼容采集終端和集中器存儲(chǔ))，可根據(jù)用戶需要靈活配置。存儲(chǔ)板的每個(gè)儲(chǔ)位均帶有傳感器，用于感知儲(chǔ)位狀態(tài)。存儲(chǔ)板的每個(gè)儲(chǔ)位均帶有指示燈，在出入庫操作時(shí)，起到引導(dǎo)的作用。存儲(chǔ)柜可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，滿足不同供電所計(jì)量器具的存儲(chǔ)、領(lǐng)用要求，一臺(tái)控制柜最多可管理三臺(tái)存儲(chǔ)柜。本文設(shè)計(jì)的智能周轉(zhuǎn)柜的尺寸及存儲(chǔ)容量如表1所示。

表1 智能周轉(zhuǎn)柜尺寸及存儲(chǔ)容量

柜門支持電控和鑰匙兩種方式開鎖。停電狀態(tài)下或發(fā)生故障時(shí)可由鑰匙打開柜鎖；電控門鎖由控制單元控制。當(dāng)操作員按要求操作并輸入合法口令時(shí)，控制單元發(fā)出解鎖命令，操作員方可開啟柜門；支持自動(dòng)上鎖功能，未成功自動(dòng)上鎖時(shí)，柜門會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。

1.2 計(jì)算機(jī)軟件功能

計(jì)算機(jī)軟件主要包括系統(tǒng)管理、應(yīng)用管理、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)接口等部分。

1.2.1 系統(tǒng)管理

①身份管理：通過輸入操作員工號和密碼的方式進(jìn)行身份認(rèn)證。操作員賬號和密碼可與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)共用，操作員權(quán)限在營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中分配。

②儲(chǔ)位管理：可以設(shè)置儲(chǔ)位的禁用與啟用，如果所禁用的儲(chǔ)位上存放有設(shè)備，將提示操作員進(jìn)行移位。

③程序升級：支持軟件的本地及遠(yuǎn)程升級。

1.2.2 應(yīng)用管理

①入庫管理：支持配送入庫和領(lǐng)出未裝入庫兩種方式。

②出庫管理：支持裝表出庫、預(yù)領(lǐng)出庫、搶修預(yù)領(lǐng)出庫、返回配送出庫等方式。出庫順序采用先檢先出與先進(jìn)先出相結(jié)合的策略。

③庫存盤點(diǎn)：支持周期盤點(diǎn)和強(qiáng)制盤點(diǎn)。

④超期告警：對于計(jì)量器具領(lǐng)出安裝未按時(shí)歸檔進(jìn)行告警；對超過檢定周期的庫存計(jì)量器具進(jìn)行告警。

⑤智能引導(dǎo)：具備語音提示、指示燈引導(dǎo)功能，能引導(dǎo)操作員按提示進(jìn)行操作。

1.2.3 監(jiān)控管理

①庫存量監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控庫存變化情況，當(dāng)存量低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)記錄并告警。

②儲(chǔ)位監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)位狀態(tài)，出現(xiàn)儲(chǔ)位異常的情況，自動(dòng)記錄并告警。

③柜門監(jiān)控：對柜門的異常開啟、關(guān)閉進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常自動(dòng)記錄并告警。

④停電監(jiān)控：具備停電記錄功能，恢復(fù)供電后，對停電前后儲(chǔ)位狀態(tài)變化進(jìn)行分析，狀態(tài)不一致時(shí)進(jìn)行告警。

⑤溫濕度監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度，當(dāng)溫濕度低于報(bào)警閥值下限或高于報(bào)警閥值上限時(shí)，自動(dòng)記錄和告警；同時(shí)啟動(dòng)加溫或除濕模塊工作。

⑥圖像監(jiān)控：當(dāng)出現(xiàn)柜門開啟、儲(chǔ)位異常等情況時(shí)，進(jìn)行拍照記錄存檔，并通過接口上傳到管理系統(tǒng)中。

1.2.4 數(shù)據(jù)接口

智能周轉(zhuǎn)柜與外部系統(tǒng)接口分為以下兩種。一是周轉(zhuǎn)柜與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)接口，主要負(fù)責(zé)周轉(zhuǎn)柜與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)交互；二是周轉(zhuǎn)柜與生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)的接口，主要負(fù)責(zé)周轉(zhuǎn)柜監(jiān)控部分的數(shù)據(jù)交互。子營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)及計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)接口采用Web Service 中間庫的方式，采用串口方式和下位機(jī)通信[14]。

1.3 電控設(shè)計(jì)

電控控制框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用單塊主控板和多塊I/O板架構(gòu)，主控板與計(jì)算機(jī)進(jìn)行RS-485通信，每塊I/O板對應(yīng)控制單塊存儲(chǔ)板，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)板的LED指示燈、儲(chǔ)位狀態(tài)信息與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。單位主控板的RS-485地址固定，多塊I/O板的RS-485地址通過撥碼開關(guān)設(shè)定。主控板具有兩路隔離的RS-485通信接口，一路與計(jì)算機(jī)通信，一路與多塊I/O板通信。主控板接收計(jì)算機(jī)指令，并把指令傳遞給I/O板，再由I/O板控制存儲(chǔ)板上LED指示燈的亮滅；I/O板實(shí)時(shí)讀取存儲(chǔ)板上的儲(chǔ)位狀態(tài)，再由主控板實(shí)時(shí)輪詢I/O板所讀到的儲(chǔ)位信息，并通過主控板把存儲(chǔ)板上的儲(chǔ)位信息傳遞給計(jì)算機(jī)。

圖1 電控控制框圖

1.3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

主控板硬件電路主要由溫濕度傳感器電路、掉電檢測電路、微處理器、2路隔離開關(guān)電源、2路RS-485通信接口電路、日歷時(shí)鐘電路、柜門監(jiān)控電路等構(gòu)成。隔離開關(guān)電源輸出5 V隔離電壓，為RS-485通信接口電路提供隔離電源。

I/O板硬件電路主要由微處理器、1路隔離開關(guān)電源、1路RS-485通信接口電路、儲(chǔ)位檢測電路、LED指示燈驅(qū)動(dòng)電路、撥碼開關(guān)電路等構(gòu)成，I/O板的RS-485通信地址由撥碼開關(guān)人工設(shè)定。

儲(chǔ)位檢測傳感器采用普通微動(dòng)開關(guān)，簡單可靠，其檢測電路如圖2所示。當(dāng)存儲(chǔ)板上放置電能表等物體時(shí)，被放置的物體會(huì)接壓微動(dòng)開關(guān)使其處于閉合狀態(tài)，光耦的輸入端導(dǎo)通，經(jīng)過光耦的光電轉(zhuǎn)換，光耦的輸出端輸出低電平；當(dāng)存儲(chǔ)板上沒有放置物體時(shí)，微動(dòng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，光耦的輸入端不導(dǎo)通，光耦的輸出端為高電平；通過微處理器檢測光耦輸出端的高低電平狀態(tài)來識(shí)別存儲(chǔ)板上是否放置電能表等物體。

圖2 儲(chǔ)位檢測電路

1.3.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

微處理器軟件采用C語言編程。I/O主程序流程如圖3所示。

圖3 I/O板主程序流程圖

撥碼開關(guān)狀態(tài)掃描，讀到撥碼開關(guān)值作為I/O板的RS-485地址。I/O板作為從機(jī)與主控板進(jìn)行RS-485通信，接收主控板的命令，控制儲(chǔ)位指示燈的亮與滅，把實(shí)時(shí)讀取到的儲(chǔ)位狀態(tài)信息傳遞給主控板。假設(shè)某個(gè)儲(chǔ)位的指示燈已處于點(diǎn)亮狀態(tài)，當(dāng)對應(yīng)的儲(chǔ)位狀態(tài)有變化時(shí)，無需主控板通信控制，I/O板程序直接控制對應(yīng)儲(chǔ)位指示燈閃爍3 s，提示用戶儲(chǔ)位已放好或者拿開。假設(shè)某個(gè)儲(chǔ)位的指示燈已處于關(guān)滅狀態(tài)，當(dāng)對應(yīng)的儲(chǔ)位狀態(tài)有變化時(shí)，無需主控板通信控制，I/O板程序直接控制對應(yīng)儲(chǔ)位指示燈以比較快的頻率一直閃爍，提示用戶主控板存在故障。

主控板主程序流程如圖4所示。

圖4 主控板主程序流程圖

2 試驗(yàn)過程

在使用周轉(zhuǎn)柜前，供電所電能表儲(chǔ)存和領(lǐng)用全靠人工管理，資產(chǎn)管理人員只能將零散備用電能表放在庫房中，搶修人員領(lǐng)取電能表需通過營銷計(jì)量資產(chǎn)管理人員，影響了搶修效率。而智能周轉(zhuǎn)柜投入使用后，供電所的師傅通過正常的用戶名密碼登錄系統(tǒng)，選擇周轉(zhuǎn)柜觸摸屏上的“搶修預(yù)領(lǐng)”按鈕，按照多媒體智能引導(dǎo)系統(tǒng)完成搶修預(yù)領(lǐng)操作，領(lǐng)取兩臺(tái)電能表前后只用40 s左右。

上述計(jì)量器具智能周轉(zhuǎn)柜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，已成功用于I型、II型、III型周轉(zhuǎn)柜，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在山東、湖南、江西、安徽、浙江、遼寧等地得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過近2年的運(yùn)行，智能周轉(zhuǎn)柜能夠完成系統(tǒng)設(shè)置、身份認(rèn)證、儲(chǔ)位管理、智能引導(dǎo)、入庫、出庫、庫存盤點(diǎn)、監(jiān)控等功能。系統(tǒng)有效規(guī)范了基層供電公司、供電所電能表的管理流程，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)化控制，取得了良好的應(yīng)用效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

智能化的出入庫管理，可以像銀行ATM機(jī)一樣無人值守，有權(quán)限的操作員可隨時(shí)對周轉(zhuǎn)柜進(jìn)行存取表的操作，方便了搶修人員在夜間、節(jié)假日的快速領(lǐng)表。

采用單塊主控板和多塊I/O板的RS-485總線通信控制系統(tǒng)，解決了大量信號的輸入輸出控制問題。在計(jì)算機(jī)和I/O板之間引入主控板。主控板實(shí)時(shí)輪詢所有I/O板的儲(chǔ)位信息，解決了計(jì)算機(jī)直接RS-485輪詢多塊I/O板響應(yīng)慢的問題。系統(tǒng)具有人性化的燈光引導(dǎo)功能。當(dāng)用戶儲(chǔ)位正常工作時(shí)，對應(yīng)儲(chǔ)位指示燈自動(dòng)閃爍3 s，提示用戶操作正確；當(dāng)儲(chǔ)位異常時(shí)，對應(yīng)儲(chǔ)位指示燈自動(dòng)閃爍告警。