基于MCGS的開關柜母線溫度隔離監測系統的研究與設計

周偉

摘 要

本設計綜合運用現代測量技術，通過無線測溫的方式，實現了高壓開關柜內溫度數據的自動化測量，很好的解決了在高電壓大磁場環境下，開關溫度在線檢測困難的問題；開發的適用于特殊工況下的溫度測量裝置能夠以紅外無線傳輸方式實現了高壓側與低壓側的電氣隔離。

【關鍵詞】MCGS 開關柜 母線 溫度

在整個供配電系統中，開關柜是最重要的環節之一，其運行的安全性直接關系著整個電力系統的安全。由于開關柜一般為密閉裝置，散熱條件差，再加上用電設備長期滿負荷甚至超負荷運行，導致發熱量過大，熱積累加劇，從而引發破壞柜內設備絕緣部件甚至短路、火災等重大安全生產事故。如何便捷、有效地實時監測開關柜內母線溫度便成了電力工程技術人員所共同面臨的時代課題。

1 系統的工作原理

本系統中采用接觸式安裝溫度傳感器用以測量母線發熱點溫度，溫度測量部分安裝在母排上，負責采集對應測溫點的溫度值，溫度數據從測溫單電機的串口發送端（P3.1）送到紅外編碼/譯碼器MCP2120，由它將信號編碼調制后送低功率紅外收發模塊TFDU4100通過紅外光傳給系統下位機模塊中的TFDU4100，系統下位機模塊中的TFDU4100接收到紅外信號后將其送過與之相連接的紅外編碼/譯碼器MCP2120，解調譯碼后送給下位機進行數據處理。系統下位機模塊能夠同時接收多個溫度數據，它通過無線方式收集各測溫點的溫度數值，并采用RS-485總線的主從結構方式接受上位機輪詢，將數據上傳給作為主機的上位PC機，接受上位機的控制命令及溫度限值；同時又能夠處理接受的紅外無線溫度數據、顯示母線溫度并能夠進行現場報警。上位機采用MCGS組態軟件開發監控系統，通過RS—485總線集中監管整個系統、發布控制命令、輪詢溫度值、處理保存并打印數據等。其工作過程如圖1所示。

2 系統的硬件部分

從系統所實現的功能的角度將硬件部分劃分為幾個具有相對完整功能的模塊：測溫及傳輸模塊、數據處理模塊、通信模塊。其中測溫及傳輸模塊由以底層單片機、紅外編碼/譯碼器、紅外收發模塊構成，完成溫度的接觸式采集和紅外無線傳輸功能；數據處理和通信模塊則是由上位機、RS-485總線網絡和下位單片機共同組成的主從分布式結構系統。

2.1 測溫及傳輸模塊

測溫及傳輸模塊硬件結構如圖2所示。主要用來檢測結點溫度并通過紅外方式無線發送給通訊層中數據處理模塊。所用主要元器件有DS18B20、紅外收發裝置、AT89C52單片機及外圍電路配套的電阻、電容等。其中，紅外收發裝置硬件接口方式如圖2所示。

2.2 通訊層硬件設計

通訊層的核心處理器是AT89C52單片機系統，它通過RS—485總線與上位機通信，同時通過紅外方式收集對應底層采集設備的溫度數值。在硬件設計上，該層中單片機與紅外收發設備的硬件聯接方式與測溫及傳輸模塊中類似，與上位機通過485總線實現通信。

2.3 上位機串口通信的硬件設計

為了配合本系統測溫裝置和上位PC機之間進行數據傳輸設計中選擇無源轉換器MWE485C，實現RS-232/RS-485信號轉換。該產品是由武漢鴻偉光電技術有限公司研發生產的一款性價比較高的信號轉換器，使用時將標準DB9孔串口與計算機的串口直接連接，接線端子中A+和B-與RS485中對應連線即可。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包括用于測溫傳輸模塊和數據處理模塊的單片機軟件設計及用戶監控軟件設計兩大部分。

3.1 單片機軟件的設計

由于本系統中最底層和通訊層所選用的均為AT89C52單片機，所以軟件設計部分的主要子程序包括溫度測量、信號發射、信號接收、串口通信等內容。其中最底層單片機承擔的主要是溫度測量和無線發送溫度數值的功能，程序編寫比較簡單，不再贅述，下面主要介紹一下通信層單片機的程序設計。

通信單片機作為PC機的下位機，它承擔了兩個方面的工作：一是采集監測點單片機通過紅外傳送過來的數據并保存在片內自建的存儲區；二是將這些數據通過串行口，用中斷的方式發送個PC機。

通信單片機向采集器要數的發送數據格式為：“！”+ID+數據長度+“#”，接收數據格式為“！”+ID+溫度數據（6字節）+“#” ，其中6字節溫度數據依次為A相溫度值低字節、A相溫度值高字節、B相溫度值低字節、B相溫度值高字節、C相溫度值低字節、C相溫度值高字節。通信單片機按發送格式通過紅外循環發送，采集器接收到后先驗證ID號，通過驗證的采集器向通信單片機按“！”+ID+溫度數據（6字節）+“#”的格式發送數據。

通信單片機接收后先驗證開始符是“！”還是“*”（因為PC機的發送開始符是“*” ，采集器發送開始符是“！” ），然后再進行數據處理。程序流程圖如圖3和圖4所示。

3.2 監控軟件

溫度監測系統的主機軟件采用MCGS組態軟件。系統的設計組態設計思想，從最大程度地方便用戶的角度開發設計，在保證功能全面實用、性能安全可靠的基礎上，盡可能做到智能式操作要求。監控軟件功能結構圖如圖5所示。

對上述功能加以區分整合，從功能角度將用戶監控軟件設計分解為兩塊內容：以現場監控、數據處理、數據記錄、監控報警及現場記錄為開發目標的組態設計和以獲取下位機溫度數據、向下位機發送命令及溫度限值為開發目標的單片機驅動構件開發。

3.2.1 組態設計

為實現友好的人機交互，本系統將界面設計成多窗口模式，分別為：封面、監控界面窗口、溫度記錄窗口、報警記錄窗口、歷史溫度曲線窗口及歷史溫度表格窗口等6個功能性窗口，同時根據對系統工藝流程的分析，我們在MCGS 的實時數據庫中創建了78個變量對象，其中開關量8個，數值量62個，字符量7個，組對象1個。endprint

（1）監控界面。

該界面顯示了高壓開關柜中的母線連接情況，主要用來監控多臺開關柜中母線實時溫度情況以及所有監測點中各相溫度超上限報警情況，如果檢測到的溫度高于設定的報警上限，該相對應的報警指示燈將由綠色變成紅色警示用戶。如圖6所示。

（2）溫度記錄。

由于溫度是大慣性量變化緩慢，普遍設定輪詢時間為5S，但是在組態環境中，這個值用戶可以進行修改，修改范圍為1～30S。每一次輪詢得到的溫度值直接進入數據庫中，由實時數據庫發布到各界面顯示。本系統提供了對每個站點中每相溫度的“歷史溫度報表”、“歷史溫度曲線”和“實時溫度曲線”三種查詢功能。

（3）報警記錄。

本系統的報警設計分為三個部分：報警輸出、實時報警信息及歷史報警記錄。

其中報警上限值系統初始化時默認設定為35，用戶可以根據實際情況自行設定，點擊圖中“完成”按鈕即可。實現這一功能的方法是在MCGS運行策略中的循環策略中添加如下腳本程序：

！SetAlmValue（ad01，設定值，3 ）

…………

！SetAlmValue（cd14，設定值，3 ）

其中：ad1，ad2，……，cd14是報警對象，“設定值”是定義在實時數據庫中的數值型對象，3是設定的報警類型為上限報警。語句的含義是將對應報警對象的報警上限值修改為設定值。

3.2.2 單片機驅動構件的開發

進行MCGS設備驅動開發的過程，就是依據設備特性及含義設定5個屬性并對8個方法功能的編程過程。

（1）屬性接口的設定。

屬性：DevType=1 表示設備的類型為子設備

屬性：DevStyle=1表示設備的類別串口父設備對應的子設備

屬性：DevChannel=42表示設備的通道個數42個

屬性：DevBaseIO=0表示設備所用IO的基地址為0

屬性：DevIONumber=0 表示設備所用IO地址的個數為0

（2）串口函數設計。

通用串口父設備提供的標準串口讀寫函數有以下三個：

ComOutDat //把數據寫入串行端口并輸出到子設備

ComInDat//從串行端口中讀取數據

Comoutindat//通過串口發送讀數據的命令， 并接收返回數據。

程序編寫如下：

Public Function FetchDataFormComm （ By VallngCheck Flag As Long，ob jCommParent As Object， strMcgsOrder As String， strMcgsData As String） As Long

Dim bytExdata（ 0 To 1023 ）As Byte

lngReadLen = objCommParent. comoutindat（bytExdata （ ） ， Len （ strMcgsOrder） ， 0， 86， 35， 1000）

For lngIndex = 0 To lngReadLen - 1

strMcgsData= strMcgsData+ Chr（bytExdata （ lngIndex） ）

Next lngIndex

（3）接口函數設計。

數據的通訊格式為：開始符 “*” + 通道號+ 數據+ 結束符“！”，部分程序如下：

Dim strMcgsOrder As String

strMcgsOrder= CStr（lngDevChannel） + CStr（asngDataValue （lngDevChannel） ） + "！ " //以字符串形式存放打包后的數據， 用于串口函數中調用，并規定字符串格式；

調用串口通訊函數：

lngReturn = FetchDataFormComm（0， m _ ob jCommParen t， strMcgsOrder， strMcgsData） //把從串口讀取的數據進行解包存放到通道中；

For i = 0 To 5

asngDataValue（i）=Left（Str（ExdataByte（3+2i）*16+ExdataByte（2+2i）/16+（ExdataByte（2+2i）Mod 16）$0.0625），5）∥轉換讀取的溫度值，i為通道號；

4 總結

本系統設計上硬件結構簡單、運行穩定、精確度高、實時性好、價格成本合理，能夠實現從監控室到工作現場的無障礙對接，同時，其高安全性的上位機監控系統內所特有的數據曲線記錄分析功能對系統運行故障的預測預防有著十分重要的現實意義。

參考文獻

[1]劉全越，蕭寶謹，高文海.電力線路溫度采集及數據無線傳輸系統的設計[J].科技情報開發與經濟，2008.

[2]費萬民等.高壓開關觸點和母線溫度在線檢測及監視系統[J].電力系統自動化，2004.

[3]張文明.組態軟件控制技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]王曉光，鄭萍，馬巧娟，王玉飛，張建剛.基于MCGS的51系列單片機通用驅動程序設計[J].儀器與傳感器技術，2010.

作者單位

江蘇農林職業技術學院 信息工程系 江蘇省句容市 212400endprint

（1）監控界面。

該界面顯示了高壓開關柜中的母線連接情況，主要用來監控多臺開關柜中母線實時溫度情況以及所有監測點中各相溫度超上限報警情況，如果檢測到的溫度高于設定的報警上限，該相對應的報警指示燈將由綠色變成紅色警示用戶。如圖6所示。

（2）溫度記錄。

由于溫度是大慣性量變化緩慢，普遍設定輪詢時間為5S，但是在組態環境中，這個值用戶可以進行修改，修改范圍為1～30S。每一次輪詢得到的溫度值直接進入數據庫中，由實時數據庫發布到各界面顯示。本系統提供了對每個站點中每相溫度的“歷史溫度報表”、“歷史溫度曲線”和“實時溫度曲線”三種查詢功能。

（3）報警記錄。

本系統的報警設計分為三個部分：報警輸出、實時報警信息及歷史報警記錄。

其中報警上限值系統初始化時默認設定為35，用戶可以根據實際情況自行設定，點擊圖中“完成”按鈕即可。實現這一功能的方法是在MCGS運行策略中的循環策略中添加如下腳本程序：

！SetAlmValue（ad01，設定值，3 ）

…………

！SetAlmValue（cd14，設定值，3 ）

其中：ad1，ad2，……，cd14是報警對象，“設定值”是定義在實時數據庫中的數值型對象，3是設定的報警類型為上限報警。語句的含義是將對應報警對象的報警上限值修改為設定值。

3.2.2 單片機驅動構件的開發

進行MCGS設備驅動開發的過程，就是依據設備特性及含義設定5個屬性并對8個方法功能的編程過程。

（1）屬性接口的設定。

屬性：DevType=1 表示設備的類型為子設備

屬性：DevStyle=1表示設備的類別串口父設備對應的子設備

屬性：DevChannel=42表示設備的通道個數42個

屬性：DevBaseIO=0表示設備所用IO的基地址為0

屬性：DevIONumber=0 表示設備所用IO地址的個數為0

（2）串口函數設計。

通用串口父設備提供的標準串口讀寫函數有以下三個：

ComOutDat //把數據寫入串行端口并輸出到子設備

ComInDat//從串行端口中讀取數據

Comoutindat//通過串口發送讀數據的命令， 并接收返回數據。

程序編寫如下：

Public Function FetchDataFormComm （ By VallngCheck Flag As Long，ob jCommParent As Object， strMcgsOrder As String， strMcgsData As String） As Long

Dim bytExdata（ 0 To 1023 ）As Byte

lngReadLen = objCommParent. comoutindat（bytExdata （ ） ， Len （ strMcgsOrder） ， 0， 86， 35， 1000）

For lngIndex = 0 To lngReadLen - 1

strMcgsData= strMcgsData+ Chr（bytExdata （ lngIndex） ）

Next lngIndex

（3）接口函數設計。

數據的通訊格式為：開始符 “*” + 通道號+ 數據+ 結束符“！”，部分程序如下：

Dim strMcgsOrder As String

strMcgsOrder= CStr（lngDevChannel） + CStr（asngDataValue （lngDevChannel） ） + "！ " //以字符串形式存放打包后的數據， 用于串口函數中調用，并規定字符串格式；

調用串口通訊函數：

lngReturn = FetchDataFormComm（0， m _ ob jCommParen t， strMcgsOrder， strMcgsData） //把從串口讀取的數據進行解包存放到通道中；

For i = 0 To 5

asngDataValue（i）=Left（Str（ExdataByte（3+2i）*16+ExdataByte（2+2i）/16+（ExdataByte（2+2i）Mod 16）$0.0625），5）∥轉換讀取的溫度值，i為通道號；

4 總結

本系統設計上硬件結構簡單、運行穩定、精確度高、實時性好、價格成本合理，能夠實現從監控室到工作現場的無障礙對接，同時，其高安全性的上位機監控系統內所特有的數據曲線記錄分析功能對系統運行故障的預測預防有著十分重要的現實意義。

參考文獻

[1]劉全越，蕭寶謹，高文海.電力線路溫度采集及數據無線傳輸系統的設計[J].科技情報開發與經濟，2008.

[2]費萬民等.高壓開關觸點和母線溫度在線檢測及監視系統[J].電力系統自動化，2004.

[3]張文明.組態軟件控制技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]王曉光，鄭萍，馬巧娟，王玉飛，張建剛.基于MCGS的51系列單片機通用驅動程序設計[J].儀器與傳感器技術，2010.

作者單位

江蘇農林職業技術學院 信息工程系 江蘇省句容市 212400endprint

（1）監控界面。

該界面顯示了高壓開關柜中的母線連接情況，主要用來監控多臺開關柜中母線實時溫度情況以及所有監測點中各相溫度超上限報警情況，如果檢測到的溫度高于設定的報警上限，該相對應的報警指示燈將由綠色變成紅色警示用戶。如圖6所示。

（2）溫度記錄。

由于溫度是大慣性量變化緩慢，普遍設定輪詢時間為5S，但是在組態環境中，這個值用戶可以進行修改，修改范圍為1～30S。每一次輪詢得到的溫度值直接進入數據庫中，由實時數據庫發布到各界面顯示。本系統提供了對每個站點中每相溫度的“歷史溫度報表”、“歷史溫度曲線”和“實時溫度曲線”三種查詢功能。

（3）報警記錄。

本系統的報警設計分為三個部分：報警輸出、實時報警信息及歷史報警記錄。

其中報警上限值系統初始化時默認設定為35，用戶可以根據實際情況自行設定，點擊圖中“完成”按鈕即可。實現這一功能的方法是在MCGS運行策略中的循環策略中添加如下腳本程序：

！SetAlmValue（ad01，設定值，3 ）

…………

！SetAlmValue（cd14，設定值，3 ）

其中：ad1，ad2，……，cd14是報警對象，“設定值”是定義在實時數據庫中的數值型對象，3是設定的報警類型為上限報警。語句的含義是將對應報警對象的報警上限值修改為設定值。

3.2.2 單片機驅動構件的開發

進行MCGS設備驅動開發的過程，就是依據設備特性及含義設定5個屬性并對8個方法功能的編程過程。

（1）屬性接口的設定。

屬性：DevType=1 表示設備的類型為子設備

屬性：DevStyle=1表示設備的類別串口父設備對應的子設備

屬性：DevChannel=42表示設備的通道個數42個

屬性：DevBaseIO=0表示設備所用IO的基地址為0

屬性：DevIONumber=0 表示設備所用IO地址的個數為0

（2）串口函數設計。

通用串口父設備提供的標準串口讀寫函數有以下三個：

ComOutDat //把數據寫入串行端口并輸出到子設備

ComInDat//從串行端口中讀取數據

Comoutindat//通過串口發送讀數據的命令， 并接收返回數據。

程序編寫如下：

Public Function FetchDataFormComm （ By VallngCheck Flag As Long，ob jCommParent As Object， strMcgsOrder As String， strMcgsData As String） As Long

Dim bytExdata（ 0 To 1023 ）As Byte

lngReadLen = objCommParent. comoutindat（bytExdata （ ） ， Len （ strMcgsOrder） ， 0， 86， 35， 1000）

For lngIndex = 0 To lngReadLen - 1

strMcgsData= strMcgsData+ Chr（bytExdata （ lngIndex） ）

Next lngIndex

（3）接口函數設計。

數據的通訊格式為：開始符 “*” + 通道號+ 數據+ 結束符“！”，部分程序如下：

Dim strMcgsOrder As String

strMcgsOrder= CStr（lngDevChannel） + CStr（asngDataValue （lngDevChannel） ） + "！ " //以字符串形式存放打包后的數據， 用于串口函數中調用，并規定字符串格式；

調用串口通訊函數：

lngReturn = FetchDataFormComm（0， m _ ob jCommParen t， strMcgsOrder， strMcgsData） //把從串口讀取的數據進行解包存放到通道中；

For i = 0 To 5

asngDataValue（i）=Left（Str（ExdataByte（3+2i）*16+ExdataByte（2+2i）/16+（ExdataByte（2+2i）Mod 16）$0.0625），5）∥轉換讀取的溫度值，i為通道號；

4 總結

本系統設計上硬件結構簡單、運行穩定、精確度高、實時性好、價格成本合理，能夠實現從監控室到工作現場的無障礙對接，同時，其高安全性的上位機監控系統內所特有的數據曲線記錄分析功能對系統運行故障的預測預防有著十分重要的現實意義。

參考文獻

[1]劉全越，蕭寶謹，高文海.電力線路溫度采集及數據無線傳輸系統的設計[J].科技情報開發與經濟，2008.

[2]費萬民等.高壓開關觸點和母線溫度在線檢測及監視系統[J].電力系統自動化，2004.

[3]張文明.組態軟件控制技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]王曉光，鄭萍，馬巧娟，王玉飛，張建剛.基于MCGS的51系列單片機通用驅動程序設計[J].儀器與傳感器技術，2010.

作者單位

江蘇農林職業技術學院 信息工程系 江蘇省句容市 212400endprint