張麗娟，羅丹羽，崔均亮

(鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000)

嵌入式觸摸屏在變配電站電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張麗娟，羅丹羽，崔均亮

(鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000)

介紹了工業(yè)級嵌入式觸摸屏作為通訊管理機(jī)在10kV配電站電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，觸摸屏具有的RS-485串口對下連接10kV開關(guān)柜上的綜合保護(hù)裝置及測量儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理呈現(xiàn)在觸摸屏畫面上，并且通過RJ45網(wǎng)口及Modbus-TCP/IP通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳給控制室內(nèi)的后臺監(jiān)控計算機(jī)及實(shí)驗室內(nèi)的另一臺觸摸屏。

數(shù)據(jù)采集；畫面設(shè)計；客戶端建立；數(shù)據(jù)上傳

1 引言

嵌入式觸摸屏是集顯示器(觸摸式)與主機(jī)為一體的工業(yè)級小型計算機(jī)，一般采用Windows CE或Linux操作系統(tǒng)。具有的對外接口有RS232，RS485，RJ45網(wǎng)絡(luò)接口及USB等接口。RS232及RS485串口一般用來連接變配電站內(nèi)的各種通訊設(shè)備，例如綜合保護(hù)裝置、測控裝置、多功能儀表、PLC、變頻器及各種模塊等，網(wǎng)絡(luò)接口一般用來連接具有網(wǎng)口的通訊設(shè)備或者用于上傳數(shù)據(jù)。支持多種通訊協(xié)議，例如標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU，MODBUS-TCP/IP，T645等等。非常適合作為通訊管理機(jī)用在距離控制室較遠(yuǎn)的配電子站，采集子站通訊數(shù)據(jù)在觸摸屏上就地顯示并且可以把數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳到控制室后臺機(jī)。

本文所介紹10kV配電站電力監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控的范圍包括10kV配電室內(nèi)的7臺中壓柜，5臺低壓柜。中壓柜排列及低壓柜排列分別配置一臺觸摸屏，本文將詳細(xì)介紹10kV配電室的7臺中壓柜的監(jiān)控情況。利用安裝在10kV開關(guān)柜面板上的觸摸屏作為通訊管理機(jī)來監(jiān)視配電室內(nèi)的開關(guān)回路的運(yùn)行情況，并將所有采集到的數(shù)據(jù)上傳到距離配電室較遠(yuǎn)的控制室內(nèi)的監(jiān)控后臺機(jī)及實(shí)驗室中的另外一臺觸摸屏中。本文會介紹數(shù)據(jù)的采集，觸摸屏顯示畫面的設(shè)計，數(shù)據(jù)的上傳等軟件配置的關(guān)鍵問題，并重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)上傳時觸摸屏支持兩個客戶端連接的配置問題。

2 數(shù)據(jù)采集

10kV中壓柜包括1臺進(jìn)線隔離柜，一臺計量柜，一臺電源進(jìn)線柜，一臺壓變柜及三臺饋電柜。需要通訊的綜合保護(hù)裝置及測量儀表見表1通訊設(shè)備表。

2.1 通訊組網(wǎng)

表1中所述的通訊設(shè)備2AEF151，3AEF151及MS10M的通訊接口為RS485，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU。

表1 通訊設(shè)備表

通過MODBUS現(xiàn)場總線菊花鏈的方式連起來接到觸摸屏的RS-485串口上，通訊組網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1 通訊組網(wǎng)圖

2.2 觸摸屏設(shè)備組態(tài)

觸摸屏配備有專門的嵌入版組態(tài)軟件，在電腦上安裝后即可使用。項目用到一條總線一個串口，因此需要建立一個通用串口父設(shè)備，在該父設(shè)備的屬性編輯里定義串口的屬性，例如本項目用到串口COM2，通訊波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，校驗方式無校驗，如圖2所示。

在通用串口父設(shè)備下添加需要通訊的8臺標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU子設(shè)備，分別對應(yīng)H3-2AEF151，H3-MS10M，H5-3AEF151，H5-MS10M，H6-3AEF151，H6-MS10M，H7-3AEF151，H7-MS10M。在添加子設(shè)備的時候定義每個設(shè)備的設(shè)備地址及內(nèi)部屬性，設(shè)備地址為事先設(shè)定好的綜保和測量儀表的地址，內(nèi)部屬性是每塊綜保或測量儀表的寄存器地址。其中可設(shè)定的寄存器類型有[1區(qū)]輸入繼電器，[0區(qū)]輸出繼電器，[3區(qū)]輸入寄存器及[4區(qū)]輸出寄存器，分別對應(yīng)MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的02功能碼，01功能碼，04功能碼及03功能碼[1]。該項目所使用的綜合保護(hù)裝置及測量儀表均采用[4區(qū)]輸出寄存器類型。

圖2 通訊串口屬性編輯

2.3 觸摸屏數(shù)據(jù)配置與處理

通訊設(shè)備寄存器添加完畢后，在對應(yīng)的通道名稱(也即寄存器地址)前面的連接變量內(nèi)輸入相應(yīng)的變量名稱。這些變量將會出現(xiàn)在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，如圖3所示，一個實(shí)際的電壓UA需要兩個寄存器表示，綜合保護(hù)裝置的開關(guān)狀態(tài)也是用一個16位的無符號整型表示的，因此這些變量需要處理后才能供畫面使用。

圖3 寄存器配置

在該項目中，數(shù)據(jù)的處理是通過建立一個定時3s循環(huán)的腳本程序來實(shí)現(xiàn)的。例如電壓的處理方式為：

H3MPM_UA=H3MPM_UAH*65536+H3MPM_UAL

即高位寄存器左移16位加上低位寄存器。

開關(guān)量的處理方式為

H3MPM_DI1=!BitAnd(H3MPM_DI/ 512,1)

即DI寄存器的第9位表示第一個開關(guān)量DI1。

3 觸摸屏畫面設(shè)計

所有綜合保護(hù)裝置及測量儀表的數(shù)據(jù)通過腳本程序重新組合拆分處理好以后就可以供顯示的畫面使用了。該項目設(shè)計的畫面有一次系統(tǒng)圖，測量數(shù)據(jù)總覽，DI及保護(hù)狀態(tài)，設(shè)備通訊狀態(tài)及單回路實(shí)時趨勢圖。以一次系統(tǒng)圖為例說明一下畫面的設(shè)計方法。

運(yùn)行后的一次系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 一次系統(tǒng)圖

以H3電源進(jìn)線回路的斷路器及手車位置狀態(tài)為例說明畫面顯示邏輯。如圖5所示，H3_QFA=1表示斷路器合位，H3_QFB=1表示斷路器分位，H3_SS=1表示手車工作位，H3_TS=1表示手車試驗位。

一個回路的斷路器及手車位置共有4個組合狀態(tài)：

(1)手車工作位置下斷路器合閘；

(2)手車工作位置下斷路器分閘；

(3)手車試驗位置下斷路器合閘；

(4)手車試驗位置下斷路器分閘。

把這四種狀態(tài)分別組成圖符，利用圖符的“可見性”屬性來顯示斷路器及手車的位置。例當(dāng)H3_QFA*H3_SS=1時代表斷路器合閘手車處于工作位，當(dāng)H3_QFA*H3_TS=1時代表斷路器合閘手車處于試驗位，當(dāng)H3_QFB*H3_SS=1時代表斷路器分閘手車處于工作位，當(dāng)H3_QFB*H3_TS=1時代表斷路器分閘手車處于試驗位。圖中其他線條的狀態(tài)以此為例利用圖符的“可見性”等屬性來顯示。

圖4一次系統(tǒng)圖下方顯示的是實(shí)時測量數(shù)據(jù)表格，只要在相應(yīng)單元格中連接所要顯示的實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的變量即可在運(yùn)行后顯示該變量的值。

4 觸摸屏數(shù)據(jù)上傳

10kV配電室中壓柜上的觸摸屏采集到的綜合保護(hù)裝置及測量儀表的數(shù)據(jù)在就地顯示的同時需要上傳給控制室的后臺監(jiān)控計算機(jī)及實(shí)驗室的另外一臺觸摸屏。傳輸接口為RJ45，介質(zhì)是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，傳輸協(xié)議是Modbus-TCP/IP。

圖5 一次系統(tǒng)圖

4.1 設(shè)備組態(tài)

首先建立一個通用TCP/IP父設(shè)備1，該父設(shè)備的屬性配置如圖6所示，網(wǎng)絡(luò)類型選擇“1-TCP”，服務(wù)器/客戶設(shè)置選擇“1-服務(wù)器”，本地IP地址填寫本機(jī)觸摸屏IP地址，本地端口號填寫502，遠(yuǎn)程IP地址可不填。這個上傳父設(shè)備用于后臺監(jiān)控計算機(jī)軟件使用，因為后臺機(jī)軟件作為客戶端來讀取觸摸屏上傳的數(shù)據(jù)時默認(rèn)的端口號只能是502且不能修改。

圖6 TCP/IP設(shè)備屬性編輯

在TCP/IP父設(shè)備1下建立一個Modbus-TCP/IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備1，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備用來對需要上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總上傳。如圖7所示，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的地址可以填寫0～255之間的任意數(shù)字，本項目定為1。在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的內(nèi)部屬性中添加需要上傳數(shù)據(jù)的寄存器地址，根據(jù)實(shí)際需要上傳的數(shù)據(jù)類型及數(shù)量來增加通道。在對應(yīng)的通道里選擇需要上傳的變量，這些變量是已經(jīng)在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中存在的。

圖7 Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備設(shè)備屬性編輯

由于觸摸屏的一個通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備端口只支持一個客戶端連接，因此需要再創(chuàng)建一個通用TCP/IP父設(shè)備2及Modbus-TCP/IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備2用于實(shí)驗室的另一臺觸摸屏客戶端來連接。通用TCP/IP父設(shè)備2的本地端口號需要設(shè)置為除502之外的端口，本項目設(shè)置為503。其他設(shè)置與第一組設(shè)備設(shè)置相同。

3.2 客戶端建立

本項目有兩個客戶端，一個是控制室的后臺監(jiān)控計算機(jī)，另一個是實(shí)驗室的觸摸屏。后臺監(jiān)控計算機(jī)組態(tài)軟件通過502端口來連接10kV配電室觸摸屏上傳來的數(shù)據(jù)，實(shí)驗室的觸摸屏通過503端口來連接。實(shí)驗室觸摸屏的設(shè)備組態(tài)如圖8所示，需要建立一個通用TCP/IP父設(shè)備及一個標(biāo)準(zhǔn)Modbus-TCP子設(shè)備。通用TCP/IP父設(shè)備的屬性設(shè)置中的遠(yuǎn)程IP地址填寫10kV配電室觸摸屏的IP地址，遠(yuǎn)程端口號填寫503。標(biāo)準(zhǔn)Modbus-TCP子設(shè)備用來填寫上傳來的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文主要介紹了觸摸屏作為通訊管理機(jī)在一個電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，從觸摸屏軟件的配置入手，說明了觸摸屏對下通訊設(shè)備綜合保護(hù)裝置及測量儀表的數(shù)據(jù)采集設(shè)備組態(tài)，對讀取上來的原始數(shù)據(jù)用腳本程序進(jìn)行組合拆分處理，最后呈現(xiàn)在觸摸屏畫面上。由于觸摸屏自身存在的不能支持兩個客戶端同時連接一個端口的問題，通過添加兩個轉(zhuǎn)發(fā)父設(shè)備的方法來解決控制室后臺監(jiān)控計算機(jī)及實(shí)驗室觸摸屏同時連接的問題。根據(jù)項目實(shí)際運(yùn)行一年來的情況看，系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定沒有出現(xiàn)任何異常狀況。

圖8 客戶端觸摸屏設(shè)備組態(tài)配置

[1]表1Modbus功能碼[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1861869.htm

Application of Embedded Touch Screen in Power Monitoring and Control System of Eistribution Station

ZHANGLi-juan,LUODan-yu,CUIJun-liang

(Zhengzhou Electric Power College,Zhengzhou 450000，China)

It presents the technical grade embedded touch screen as the communication management computer on the application of power management control system in 10kV power distribution station,touch screen collects data from micro-computer protection equipment and metering equipment of 10kV switchgear panel via to RS-485 serial port,the processed data are displayed on the touch screen and uploaded to the monitor and control computer in the control room and another touch screen in the lab via to RJ45 and Modbus-TCP/IP communication protocol.

data acquisition;screen design;client creating;data upload

1004-289X(2015)03-0083-04

TM71

B

2014-04-23

張麗娟(1982-)，女，漢，碩士研究生，講師，主要研究方向為電力電子及電氣控制方向； 羅丹羽(1981-)，女，漢，碩士研究生，講師，主要研究方向為電工技術(shù)及電機(jī)控制； 崔均亮(1974-)，男，漢，碩士研究生，講師，主要研究方向為智能儀器。