淺談基于PLC和Modbus的配電室現場環境監控系統設計及產品選型

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為實現對配電室現場運行環境實時監控，研究設計了一個基于PLC和Modbus的配電室現場環境監控系統。該系統采用PLC處理數字量輸入/輸出，采用Modbus協議進行數據通信，對配電室現場各種環境參數進行監測報警，采集存儲視頻圖像和語音，通過以太網與上一級監控中心進行數據通信。作者首先給出系統總體結構和功能設計，接著闡述系統硬件結構和軟件設計思想．通過測試表明，監控系統運行穩定可靠,具有良好的實用性。

關鍵詞：PLC;ModbusRTU;ModbusTCP;配電室;環境監控

??隨著國民經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，對電力能源供應的安全性要求不斷提升，作為電網末端配電室的正常運行顯得越發重要。配電室內部安裝了高電壓、高電流配電設備，運行過程中會產生一定的熱量和電磁輻射，對運行環境有較高的要求，有必要對配電室現場運行環境進行實時不間斷監控。城市中配電室數量眾多、地域分散、規模不一，配電室與監控中心之間往往相隔較遠，而且一個監控中心需要對大量配電室進行監控管理，每一個配電室需要監控的環境參數也非常多。現有的環境監控系統一般一個監控中心只能對少量配電室進行監控，而且監控的環境參數數量也達不到配電室監控的要求．針對這種需求，本文研究設計了一個基于可編程控制器(PLC)[1]和Modbus的配電室現場環境監控系統。該系統能實現對配電室現場運行環境進行實時監控，系統既可以獨立運行，又可以通過計算機網絡與監控中心連接后作為配電室群分布式綜合監控系統的一個子系統運行，監控中心具有遠程操控能力[2]。

??配電室現場環境監控系統需要對配電室現場運行環境進行實時監控和異常報警處理，監控范圍包括門禁管理、煙霧探測、明火探測、門窗開閉探測、水浸探測、防盜入侵探測、溫濕度監測、SF6氣體泄漏監測、排風控制、視頻和語音監控、可視對講和語音**、手機短信報警等，需要處理數字量輸入/輸出、串口通信、視頻、語音、網絡等多種交互數據格式，對數據采集和控制操作的實時性和可靠性有較高要求。監控系統以系統主控部分現場控制/采集/通信/遠動單元)為核心，外圍配置電控鎖、讀卡器、煙霧傳感器、明火傳感器、門磁窗磁傳感器、水浸傳感器、紅外防盜入侵傳感器、溫濕度傳感器、SF6傳感器、排風扇、攝像頭、拾音器、對講/**單元、短信報警模塊等監測和控制設備．如果需要與上一級監控中心進行通信，還需要配置專門的網絡交換設備。

??系統主控部分負責管理調度整個監控系統現場控制、數據采集、數據通信和遠動控制等功能．在系統運行過程中，外圍監測設備實時采集環境參數數據，系統主控部分循環采集各個外圍設備的數據并顯示．如果監控到異常數據則啟動3種報警方式［3］，包括現場聲音報警、手機短信報警和計算機網絡報警，根據需要系統主控部分可以向控制設備發送控制命令［4］以對報警進行響應．攝像機的視頻信號直接通過視頻線接入到系統主控部分進行錄像存儲，拾音器的音頻信號同步傳入系統主控部分進行錄音存儲，根據需要系統主控部分也可以向攝像機云臺發送控制命令，調節攝像機鏡頭遠近和角度。

??系統主控部分由監控主機、PLC、視頻服務器、門禁主機、網絡交換機等部分構成，系統主控部分和外圍設備連接硬件結構圖如圖2所示。系統通過組建Modbus總線進行數據通信，監控主機作為ModbusRTU主設備，負責Modbus總線的通信管理，具有Modbus接口的外圍設備作為ModbusRTU從設備接入總線，輸出信號為數字量的外圍設備統一接入到PLC，PLC接入到Modbus總線，需要數字量控制的外圍設備的控制信號由監控主機通過PLC產生。短信報警模塊接入到Modbus總線中，當需要報警時由監控主機向短信報警模塊發送報警信息，由短信報警模塊向相關人員發送手機短信報警信息．攝像頭的視頻信號線和控制信號線直接接入到視頻服務器，由視頻服務器采集視頻信號并進行存儲，攝像頭的控制信號由視頻服務器提供拾音器的音頻信號線直接接入到視頻服務器，由視頻服務器采集音頻信號并進行存儲。電控鎖和讀卡器連接門禁主機，由門禁主機**讀卡器信息并發送控制信號給電控鎖。系統主控部分各設備之間通過網絡交換機連接組成以太網，外圍設備中的對講/***單元接入到網絡交換機，如果系統與上一級監控中心之間連通了網絡，則配電室現場和監控中心之間可以雙向呼叫，實現配電室現場與監控中心之間的遠程可視對講，也可以由監控中心主動監視和**配電室現場的圖像和聲音。監控主機采用廣州致遠電子生產的MiniView－1000T，集控制功能和人機界面功能于一體，具有2路RS－232－C/RS－485復用接口，1路以太網，1路CAN接口，配置了10.4寸、真彩色26萬色觸控顯示屏。MiniView－1000T采用簡潔、穩定、可靠的實時操作系統，支持數據庫，搭載輕小型的GUI保證了高速的GUI響應，支持ModbusRTU/ASCII主、從協議和ModbusTCP主、從協議，并支持串口和CAN自定義協議，滿足各種應用系統開發需要．PLC采用西門子公司生產的S7－200系列的CPU224XP，具有14路數字量輸入和10路數字量輸出，并能較容易進行擴展，具有RS-485接口，通過編程后可以接入Modbus總線．視頻服務器采用海康威視生產的DS－6504HF－SATA,具有4路模擬視頻輸入，4路模擬音頻輸入，1個標準RS－485串行接口，攝像頭視頻信號和拾音器音頻信號直接接入到視頻服務器中，攝像頭云臺控制信號由視頻服務器提供,視頻服務器通過以太網進行訪問。門禁主機采用門禁控制器，支持4門單向/2門雙向的門禁控制，具有讀卡器數據讀取和電控鎖控制接口，控制器上可儲存2萬張卡號和2萬條刷卡記錄，門禁主機獨立工作,通過以太網進行訪問。

??系統硬件平臺搭建完成后，需要設計軟件系統來實現系統功能，系統軟件主要包括監控主機軟件和PLC軟件，軟件須實現基于Modbus的通信運行機制。

3.1監控主機軟件

??監控主機軟件采用安科瑞的1高性能組態工程編輯軟件來進行編程設計，軟件界面友好，采用拖曳式的圖形編輯系統。由于集成豐富的通信協議庫，監控主機軟件能夠通過編程實現Modbus接口，包括通過Modbus總線與外圍設備通信時作為

??ModbusＲTU主設備和通過以太網與上一級監控中心通信時作為ModbusTCP從設備的通信接口。監控主機MiniView－1000T同時作為人機交互設備進行顯示和操控，設計的人機交互界面［5］如圖3所示。監控主機軟件運行時，通過循環采集外圍設備和PLC的監測數據，將監測數據存入主機嵌入式數據庫中，并在監控主機屏幕顯示，通過判斷環境參數確定是否啟動/停止排風控制。此外，監控主機觸摸屏還需要對觸控操作進行響應，進行相應處理和顯示刷新，實現實時人機交互功能。在人機界面上，可以通過觸控方式執行啟/停排風扇、設置撤防/布防、開啟/停止短信報警等操作，以及操作菜單和在各個窗口中進行切換。

3.2數字量輸入信息

??PLC軟件PLC主要實現采集監控系統中的數字量輸入信息，以及產生數字量輸出控制信息。數字量輸入信息包括煙霧傳感器、明火傳感器、

??門磁窗磁傳感器、水浸傳感器、防盜入侵傳感器等傳感器信號，數字量輸出控制信息主要為排風扇的控制信號。PLC通過Modbus總線接入到監控系統

4.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子系統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

4.2系統結構

4.3系統功能

4.3.1實時監測

??能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，實時顯示有關故障、告警等信息。

4.3.2數據查詢

??在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數據。

4.3.3曲線查詢

??可以直接查看各電參量曲線。

4.3.4運行報表

??查詢配電室內設備的運行數據報表。

4.3.5實時告警

??具有實時告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.3.6歷史事件查詢

??能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。

4.3.7用戶權限管理

??設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

4.3.8網絡拓撲圖

??支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

4.3.9遙控功能

??可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

4.4系統硬件配置

??本文基于PLC和Modbus設計了一個配電室現場環境監控系統，實現對配電室運行環境進行實時監控，數據采集穩定可靠，響應及時。除監控中心調取配電室現場音視頻監控錄像時占用較大帶寬之外，每個配電室監控系統的主控部分每次需要向監控中心上傳的數據量很小，只有幾十Byte，數據上傳速度較快。因此，可以實現一個監控中心對上百個配電室現場環境監控系統進行管理。系統已成功應用于某供電局運行維護的多個配電室中，有效地實現了對配電室運行環境進行監控，提高了運行維護效率，取得了良好的應用效果。下一步研究方向為增加配電室配電設備運行情況的監控，采集和上傳配電設備的電參量，將環境監控和配電監控集成為配電室現場配電與環境綜合監控系統。并引入云計算的思想和方法，建立城市級配電室群分布式監控云計算模型，在云計算平臺［6］上運行監控系統，增加信息接入和共享能力，為配電室的安全運行提供更大的技術支撐。

[1]楊臨.PLC在機房環境監控系統中的應用［J］。自動化與儀器儀表，2010，6:66-67。

[2]閆林生，肖伸平，鄧鵬等.基于物聯網的室內環境監控系統的設計［J］。計算機技術與自動化，2012，31(4):47-50。

[3]楊洋.沈小青，柏永斌等.基于AVＲ和以太網的遠程環境監控系統設計與實現［J］。計算機測量與控制，2013，21(2):418-420。

[4]袁騰，李秋紅，楊國斌等.基于ZigBee和3G技術的WSNs環境監控系統設計［J］。傳感器與微系統，2012，31(6):128-129，133。

[5]陳立偉，楊建華，曹曉歡等.物聯網架構下的室內環境監控系統［J］.電子科技大學學報，2012，41(2):265-268。

[6]錢毅.基于云計算和視頻智能分析的變電站視頻及環境監控系統升級方案設計［J］。電力學報，2011，26(2):151-155.612云南大學學報(自然科學版)35。

[7]企業微電網設計與應用手冊2022.05版。

[8]楊艷華，蘇紅軍，周永錄，徐斌，黃燕燕等.基于PLC和Modbus的配電室現場環境監控系統設計。