陳文科

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙，410004）

高等院校配電網(wǎng)承擔(dān)著將電能分配至各用電單位的任務(wù)，是確保校園電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義[1]。對(duì)于建設(shè)較早的高校，校園配電網(wǎng)的監(jiān)測主要通過人工完成，采用專人定時(shí)定點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行巡檢，具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等不足[2]。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，部分高校逐步對(duì)其配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，以PLC為監(jiān)測系統(tǒng)核心，構(gòu)建了自動(dòng)化配電監(jiān)測系統(tǒng)，一定程度上優(yōu)化了傳統(tǒng)配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，但不具備遠(yuǎn)程監(jiān)測能力，其智能程度有待提升[3-4]。針對(duì)上述不足，本文設(shè)計(jì)了基于PLC+無線通信技術(shù)的校園配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了校園配電網(wǎng)的本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的大學(xué)校園配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知層由基于現(xiàn)場總線的配電網(wǎng)測控單元及感知層主控PLC構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)主要斷路器工作狀態(tài)、配電網(wǎng)電流、電壓、功率等參數(shù)的測量，并能根據(jù)應(yīng)用層所下達(dá)的控制命令實(shí)施對(duì)配電網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行控制。傳輸層由PLC無線通信模塊構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層之間的監(jiān)測信息的傳輸。應(yīng)用層由安裝有監(jiān)控軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程如下：感知層的主控PLC通過現(xiàn)場總線獲取配電網(wǎng)信息，經(jīng)過處理、運(yùn)算后由傳輸層的PLC無線模塊發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用層的上位機(jī)可以通過監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示配電網(wǎng)各類參數(shù)。此外，用戶可以通過監(jiān)控軟件下達(dá)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場配電設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 感知層硬件設(shè)計(jì)

感知層硬件主要負(fù)責(zé)對(duì)配電網(wǎng)現(xiàn)場信息進(jìn)行采集、執(zhí)行應(yīng)用層下達(dá)的控制命令，其主控PLC運(yùn)行是否穩(wěn)定可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。主控PLC品牌工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的德國西門子PLC。根據(jù)系統(tǒng)總體方案，主控PLC與各測控單元采用現(xiàn)場總線進(jìn)行信息交互，進(jìn)一步確定主控PLC需具有總線功能。結(jié)合主控PLC對(duì)運(yùn)算能力、運(yùn)算速度等方面的要求，確定采用結(jié)構(gòu)緊湊的S7-1200 PLC。

感知層測控單元要求既能對(duì)配電網(wǎng)現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行采集，還能控制配電網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備，且具有現(xiàn)場總線通信功能。配電網(wǎng)現(xiàn)場參數(shù)包括主要斷路器的通斷狀態(tài)、電流、電壓、環(huán)境溫濕度等，涵蓋數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)，要求測控單元既有數(shù)字量輸入功能，還需有模擬量輸入功能。配電網(wǎng)設(shè)備控制一般要求數(shù)字量輸出控制。綜合上述要求，考慮與主控PLC通信的便利性，測控單元采用西門子S7-1200 PLC+PROFINET總線擴(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)形式，具體如圖2所示。PROFINET總線擴(kuò)展模塊采用南京實(shí)點(diǎn)電子科技有限公司PROFINET一體式I/O，其特點(diǎn)是占用空間少，傳輸速率可達(dá)100Mb/s，傳輸距離可達(dá)100m。本文中采用的數(shù)字量輸入模塊型號(hào)為PN4-1600B，數(shù)字量輸出模塊型號(hào)為PN4-0012J，模擬量輸入型號(hào)分別為電流模擬量輸入PN4-A40I和電壓型模擬量輸入PN4-A40V。

圖2 測控單元硬件結(jié)構(gòu)

■2.2 傳輸層硬件設(shè)計(jì)

傳輸層硬件的功能是實(shí)現(xiàn)主控PLC與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交互，是信息交互的中介。根據(jù)功能要求，網(wǎng)絡(luò)層硬件要求既能與PLC進(jìn)行通信，又能與外網(wǎng)進(jìn)行通信，采用專用的PLC無線通訊模塊可實(shí)現(xiàn)該功能。本文中采用PLC無線通訊模塊為廣州市巨控電子科技有限公司所生產(chǎn)的GRM530，該模塊可以通過以太網(wǎng)與S7-1200 PLC進(jìn)行信息交互，采用4G無線技術(shù)與外網(wǎng)進(jìn)行信息交互，具體參數(shù)如表1所示。

表1 GRM530典型參數(shù)

■2.3 I/O地址分配

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，感知層PLC主要負(fù)責(zé)讀取各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其 I/O地址分配如表2所示。

表2 感知層PLC I/O分配表

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

■3.1 感知層PLC程序設(shè)計(jì)

西門子S7-1200 PLC采用博圖軟件進(jìn)行編程，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)系統(tǒng)硬件進(jìn)行組態(tài)。將南京實(shí)點(diǎn)電子科技有限公司PROFINET一體式I/O所對(duì)應(yīng)的GSD文件導(dǎo)入博圖軟件，根據(jù)感知層硬件電路完成設(shè)備組態(tài)，具體組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖

感知層PLC程序的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場傳感器信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換及發(fā)送，其程序流程圖4所示。

圖4 PLC程序流程圖

本文以三相電壓采集及發(fā)送為例，具體分析其程序程序設(shè)計(jì)。三相電壓采集及處理程序如圖5所示。采用標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X將采集信號(hào)歸一化為0.0～1.0之間的浮點(diǎn)數(shù)，采用縮放指令SCALE_X將歸一化后的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值。

圖5 電壓信號(hào)采集程序

三相電壓發(fā)送程序如圖6所示。采用基于CPU集成的開放式用戶通信，通過TSEND指令定時(shí)發(fā)送三相電壓。

圖6 壓信號(hào)發(fā)送程序

■3.2 遠(yuǎn)端監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

圖7 上位機(jī)監(jiān)控界面

PLC無線通訊模塊GRM530支持力控、昆侖通態(tài)、WINCC等多種組態(tài)軟件，組態(tài)軟件能夠通過巨控OPC Server獲取配電網(wǎng)現(xiàn)場信息或?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場配電設(shè)備的操作。由于感知層硬件核心為西門子PLC，采用廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的集生產(chǎn)自動(dòng)化與控制自動(dòng)化的可視化軟件博圖開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖7所示，主要包括設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備管理、報(bào)表數(shù)據(jù)及報(bào)警歷史等頁面。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)大學(xué)校園配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等不足，設(shè)計(jì)了基于西門子S7-1200 PLC+巨控PLC無線通信模塊GRM530的配電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用感知層、傳輸層及應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)，感知層與傳輸層通過PROFINET總線技術(shù)互聯(lián)，傳輸層與應(yīng)用層通過無線通信技術(shù)及OPC技術(shù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)各部分現(xiàn)場參數(shù)的遠(yuǎn)程采集和配電網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，為配電網(wǎng)無人值守提供了一定的參考。