基于觸摸屏控制下的智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

羅旭，陳歡，劉曉卿，夏熙鵬

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611732）

1 前言

本項(xiàng)目是針對學(xué)校、企業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用安全、設(shè)備使用管理、設(shè)備使用時間、設(shè)備使用壽命、人身安全、科學(xué)登記、各實(shí)驗(yàn)電路保護(hù)整定值智能化提出的，現(xiàn)從學(xué)校、企業(yè)以下問題及本研究著手處理的辦法來概述。

問題：（1）學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致全實(shí)驗(yàn)室跳電、甚至樓層跳電、故障位置難尋、實(shí)驗(yàn)錯誤難尋；（2）實(shí)驗(yàn)室使用頻率全靠人工自覺填寫、容易錯漏、易于導(dǎo)致實(shí)際使用頻率與學(xué)院統(tǒng)計偏差較大；（3）大型設(shè)備由于購置后通電時間較少，設(shè)備長期不通電導(dǎo)致設(shè)備損壞；（4）實(shí)驗(yàn)室用電耗能不能科學(xué)管理，導(dǎo)致部分，部分實(shí)驗(yàn)室由于設(shè)備損壞導(dǎo)致耗電異常不能及時發(fā)現(xiàn)；（5）實(shí)驗(yàn)室用電三相不平衡導(dǎo)致樓層跳電，不能及時找到故障實(shí)驗(yàn)室；（6）讓不懂電的人和學(xué)員直接觸碰帶三相電的空氣開關(guān)，危險性大。

本項(xiàng)目處理方法：（1）每臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置本課題開發(fā)的實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)下位機(jī)，電路電壓整定值由上課人工點(diǎn)擊觸摸屏上的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，僅對課題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通電；（2）實(shí)驗(yàn)室使用時，使用人員通過本項(xiàng)目開發(fā)的觸摸屏登錄，打開電源，既能記錄通電使用時間及用電情況，又能讓人工對實(shí)驗(yàn)臺分組管理，并實(shí)時記錄；（3）通過三相電的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的實(shí)時顯示，讓實(shí)驗(yàn)管理員能及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題；（4）實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)、進(jìn)行合閘操作僅僅面對界面友好的觸摸板，輕輕點(diǎn)擊按鈕，遠(yuǎn)離危險電壓。

2 智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要由試驗(yàn)?zāi)K電源單元、保護(hù)設(shè)備接口、邏輯門電平標(biāo)準(zhǔn)(transistor—tran—sistor logic，TTL)轉(zhuǎn)RS485通信模塊、交直流電源模塊、觸摸屏、電流電壓采集與處理單元組成。其中，電流電壓信號采集與處理單元主要由電流互感器、電壓互感器信號采集、繼電器輸出模塊、STM32F103最小系統(tǒng)等組成。軟件系統(tǒng)模塊主有單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與通信程序、MCGS通信驅(qū)動程序、MCGS控制策略和MCGS組態(tài)設(shè)計組成。其中，保護(hù)設(shè)備接口接口選用航空多芯插座（根據(jù)電源類型可增加）；信號采集電路采用電壓互感器、電流互感器、AD/DA轉(zhuǎn)換，處理為單片機(jī)可安全識別的信號；單片機(jī)負(fù)責(zé)采集信號的分析處理，并將數(shù)據(jù)打包傳送，同時還要接收上位機(jī)發(fā)送的指令驅(qū)動繼電器輸出模塊開關(guān)閉合；TTL轉(zhuǎn)RS485通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)下位機(jī)群與觸摸屏之間安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸；繼電器輸出模塊選擇是用于控制相應(yīng)需要使用的實(shí)驗(yàn)臺電源模塊，同時也可以切換不同保護(hù)電壓電流值用于檢測控制導(dǎo)引信號的電路參數(shù)是否處于正常實(shí)驗(yàn)電壓電流范圍內(nèi)；觸摸屏在本設(shè)計中可視為上位機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互與檢測邏輯分析及記錄。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

保護(hù)監(jiān)控模式（小于3A電流）連接方式實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控下位機(jī)工作原理圖如圖2所示。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在電源接入實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控下位機(jī)過程中，需要確定工作模式是采用三相三線制還是三相四線制，同時還需要判斷三相電源是否完全連接,插口的相序是否正確。在本設(shè)計中，為了防止相序的錯誤連接，在負(fù)載模塊和實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控下，位機(jī)之間采用國家標(biāo)準(zhǔn)的航空插頭，具有防呆設(shè)計，在電源設(shè)備和下位機(jī)直接增加地線，用于保證設(shè)備及用電安全。電流電壓采集模塊將這些信息通過RS485通訊傳送到上位機(jī)，上位機(jī)的組態(tài)界面將直觀地顯示當(dāng)前的操作狀態(tài)與信號參數(shù)。與用戶當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)定開通的實(shí)驗(yàn)?zāi)K的參數(shù)的對比，若符合開通的實(shí)驗(yàn)?zāi)K范圍，通過指令發(fā)送繼電器閉合指令，單片機(jī)接收該指令并驅(qū)動繼電器模塊中的某一繼電器開關(guān)閉合，負(fù)載模塊接入電路當(dāng)中。電流電壓采集模塊監(jiān)測到負(fù)載電壓電流變化，若某時刻電流電壓超過用戶給定的參數(shù)范圍，繼電器離開斷開，負(fù)載立即切斷電源。圖2保護(hù)監(jiān)控模式連接方式的控制導(dǎo)引檢測原理圖上位機(jī)還可以在實(shí)驗(yàn)過程中或者實(shí)驗(yàn)完成后，通過指令控制選擇繼電器的狀態(tài)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行通電，或者設(shè)定某一實(shí)驗(yàn)?zāi)K通電時間、通電電壓、通電電流、通電功率，并實(shí)時監(jiān)控記錄，最終可以給出實(shí)驗(yàn)時間、實(shí)驗(yàn)過程曲線。

圖2 保護(hù)監(jiān)控模式連接方式的控制導(dǎo)引檢測原理圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 觸摸屏選型

基于組態(tài)軟件McgsE嵌入式開發(fā)的組態(tài)工程需要運(yùn)行于昆侖通態(tài)的MCGSTPC系列嵌入式一體化工控機(jī)(簡稱觸摸屏）。TPC7062Ti，是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能,其通信接口豐富，有1路RS485、l路 RS232、1路LAN、1路USB。本系統(tǒng)選用RS485接口與下位機(jī)通訊、USB導(dǎo)出存儲數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控下位裝置設(shè)計

單片機(jī)采用基于ARM CortexTM—M3內(nèi)核的低功耗STM32F103單片機(jī)。芯片具有豐富的外設(shè)，具有1路區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(controller area network，CAN)、支持12位ADC轉(zhuǎn)換、3個通用同步／異步串行接收／發(fā)送器(universalsynchronous asynchronous receiver transmitter，USART)、3路16位帶捕獲功能的定時器、時鐘頻率可達(dá)72 MHz，完全滿足系統(tǒng)需求。連接確認(rèn)信號主要檢測電源端的三相四線電壓電流，但是由于是高壓電，單片機(jī)不能直接讀取，所以需要用過電壓電流采集模塊進(jìn)行電壓電流的變換成較低電壓的模擬信號，再由單片機(jī)根據(jù)采集的AD值的區(qū)間決定采集信號的分壓比。實(shí)現(xiàn)當(dāng)采集電路在小信號時直接連接運(yùn)算放大器，大信號時先分壓后連接與運(yùn)算放大器，在整個電壓電流值范圍內(nèi)能輸出安全可靠的電流電壓。

3.3 單片機(jī)程序開發(fā)

單片機(jī)的程序編寫采用了模塊化設(shè)計思想。軟件主要由主程序、外設(shè)初始化與電壓信號采集、電流信號采集、串口通信數(shù)據(jù)處理等部分組成，系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程

電壓電流信號采集子程序通過量程的選擇，對該量程下的信號進(jìn)行模數(shù)(analog to digital，AD)轉(zhuǎn)換，為獲取穩(wěn)定的AD值進(jìn)行數(shù)字濾波，當(dāng)前交流電壓與交流電流值即可得出。通過定時器及輸入捕捉功能即可計算得出通電時間、通電功率、通電電流參數(shù)值。為簡化計算頻率方式，在進(jìn)行定時器初始化時，時鐘配置為1MHz，則一個計數(shù)值為10us，配置TIM5為上升沿捕捉方式，將中斷開啟。中斷子函數(shù)對相關(guān)寄存器進(jìn)行賦值，并捕捉相鄰的兩個信號波上升沿，以標(biāo)記一個周期進(jìn)行波形參數(shù)采集。

3.4 MCGS通信腳本驅(qū)動程序開發(fā)

設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備間的連接紐帶，可將外部硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取至MCGS，進(jìn)而對外部設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)控。在本設(shè)計中，由于通信模塊的的數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU的通信協(xié)議，理論上可以實(shí)現(xiàn)一個上位機(jī)控制248個下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行，并且采用國際通用的MODBUS-RTU可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的可拓展型，因此需使用時需要編寫MODBUS-RTU通訊方案。使用如圖4所示的MODBUS-RTU通訊方案，將編寫的程序通訊方式在MCGS和單片機(jī)進(jìn)行通訊測試，多臺下位機(jī)同時在一個系統(tǒng)時修改地址即可。

圖4

3.5 MCGS功能策略及畫面

MCGS采用如圖5所示的多線程工作方式，保證運(yùn)行系統(tǒng)的高效率。智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)啟動界面如圖6所示，保護(hù)監(jiān)控在系統(tǒng)上電后直接啟動運(yùn)行，所有的繼電器恢復(fù)默認(rèn)為斷開狀態(tài)，系統(tǒng)的邏輯判斷與控制在MCGS的循環(huán)策略中執(zhí)行的。圖7為系統(tǒng)控制界面，在循環(huán)策略中不斷地將多臺下位機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并與畫面中設(shè)定狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，按照控制界面的指令發(fā)送相應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)功能檢測，完成對全系統(tǒng)的檢測和保護(hù)。智能實(shí)驗(yàn)安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的界面組態(tài)主要有登錄界面、監(jiān)控控制界面、數(shù)據(jù)查詢界面等?？刂平缑鎸⒂脩粼O(shè)定的關(guān)鍵保護(hù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、多臺下位機(jī)等組態(tài)到界面里，方便使用人員隨時控制及觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用電流電壓。登錄界面界面設(shè)計了多用戶登錄模式，不同的用戶可以設(shè)置控制不同的下位機(jī)或者通電電壓電流，修改密碼等。查詢模式界面主要是當(dāng)前歷史數(shù)據(jù)的顯示?？梢杂糜诮y(tǒng)計設(shè)備使用時間、通電時間，保護(hù)跳閘時間、保護(hù)跳閘電流電壓等。

圖5 MCGS多線程工作方式

圖6 系統(tǒng)啟動界面

圖7 系統(tǒng)控制界面

4 結(jié)語

本項(xiàng)目的實(shí)用性在于，既能保護(hù)學(xué)員、教員的用電安全，又能通過構(gòu)建智能電力控制單元讓學(xué)員和教員得到鍛煉，為學(xué)員提供更為豐富的教育資源，加強(qiáng)課內(nèi)理論知識和課外實(shí)踐活動的呼應(yīng)，切實(shí)提高學(xué)員實(shí)踐能力，既能讓教員方便操作又能讓實(shí)驗(yàn)登記變得高效，既能節(jié)約電能又能對實(shí)驗(yàn)臺用電進(jìn)行生命周期管理，通過智能用電實(shí)驗(yàn)單元學(xué)員的實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)，對操作能力進(jìn)行全方位的訓(xùn)練。

本項(xiàng)目基于通用觸摸屏、MCU和智能多功能下位機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行記錄，有可編程測量、顯示、數(shù)字通訊和電能脈沖輸出等功能的采集,能夠完成電量測量、電能計量、數(shù)據(jù)顯示、采集及傳輸，可廣泛應(yīng)用變電站自動化、配電自動化對智能建筑、企業(yè)內(nèi)部的電能測量、管理、考核。測量精度為0.5級、實(shí)現(xiàn)LED現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程RS-485數(shù)字接口通訊，采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議。使用范圍廣、成本低，既能獨(dú)立運(yùn)行又能成片成網(wǎng)，對整個設(shè)備用電情況進(jìn)行科學(xué)記錄和判斷，能有效降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，科學(xué)省電，為設(shè)備科學(xué)管理提供依據(jù)。