計量器具智能周轉柜系統研制

陳建進

(杭州世創電子技術股份有限公司，浙江 杭州 311121)

0 引言

傳統的電能計量資產管理普遍采用周轉箱和電能資產原包裝進行存儲，不僅占地面積大、存儲效率低，而且存取不便、勞動強度大[1]；各基層供電公司、供電所的電能表領用流程還停留在手工登記階段，搶修零散用表經常出現先領用再補工單、領用無人監督的現象，無法有效管理和統計領用卻未安裝到現場的電能表，給基層供電公司的電能表庫存管理帶來了困難[2]。隨著電力計量器具的大規模應用，建設智能化倉儲系統已成為電力行業計量資產管理與運營的發展趨勢[3-6]。國家電網公司明確要求計量器具達到“自動化檢定、集中倉儲、物流化配送”[7]。省級計量中心的核心任務是建設智能化倉儲系統，提升計量業務的管理水平[8-10]。

本文設計了計量器具智能周轉柜系統。

1 原理與設計

智能周轉柜系統包含存儲控制單元和計算機軟件兩大部分。

1.1 存儲控制單元

存儲控制單元主要包括控制柜、存儲柜、各類監控傳感器等，采用模塊化拼裝結構，控制柜、存儲柜根據用戶需求可進行左拼或右拼，拼裝靈活自由[11]；控制柜包含計算機主機、觸摸屏、讀寫器、音箱、網絡接口、后備電源、攝像頭等組件。存儲柜由存儲板、傳感器、電子鎖、LED顯示屏等組成，用于存放計量器具。電力公司計量中心存儲和管理的計量器具主要包括單相電能表、三相電能表、低壓電流互感器和用電信息采集終端[12]。單個存儲柜體設置6～9層存儲板[13]。存儲板按存儲產品的不同，分為單相表存儲板(兼容采集器存儲)和三相表存儲板(兼容采集終端和集中器存儲)，可根據用戶需要靈活配置。存儲板的每個儲位均帶有傳感器，用于感知儲位狀態。存儲板的每個儲位均帶有指示燈，在出入庫操作時，起到引導的作用。存儲柜可根據需求進行擴展，滿足不同供電所計量器具的存儲、領用要求，一臺控制柜最多可管理三臺存儲柜。本文設計的智能周轉柜的尺寸及存儲容量如表1所示。

表1 智能周轉柜尺寸及存儲容量

柜門支持電控和鑰匙兩種方式開鎖。停電狀態下或發生故障時可由鑰匙打開柜鎖；電控門鎖由控制單元控制。當操作員按要求操作并輸入合法口令時，控制單元發出解鎖命令，操作員方可開啟柜門；支持自動上鎖功能，未成功自動上鎖時，柜門會發出報警聲。

1.2 計算機軟件功能

計算機軟件主要包括系統管理、應用管理、監控管理、數據庫、數據接口等部分。

1.2.1 系統管理

①身份管理：通過輸入操作員工號和密碼的方式進行身份認證。操作員賬號和密碼可與營銷業務應用系統共用，操作員權限在營銷業務應用系統中分配。

②儲位管理：可以設置儲位的禁用與啟用，如果所禁用的儲位上存放有設備，將提示操作員進行移位。

③程序升級：支持軟件的本地及遠程升級。

1.2.2 應用管理

①入庫管理：支持配送入庫和領出未裝入庫兩種方式。

②出庫管理：支持裝表出庫、預領出庫、搶修預領出庫、返回配送出庫等方式。出庫順序采用先檢先出與先進先出相結合的策略。

③庫存盤點：支持周期盤點和強制盤點。

④超期告警：對于計量器具領出安裝未按時歸檔進行告警；對超過檢定周期的庫存計量器具進行告警。

⑤智能引導：具備語音提示、指示燈引導功能，能引導操作員按提示進行操作。

1.2.3 監控管理

①庫存量監控：實時監控庫存變化情況，當存量低于設定值時，自動記錄并告警。

②儲位監控：實時監控儲位狀態，出現儲位異常的情況，自動記錄并告警。

③柜門監控：對柜門的異常開啟、關閉進行監控，出現異常自動記錄并告警。

④停電監控：具備停電記錄功能，恢復供電后，對停電前后儲位狀態變化進行分析，狀態不一致時進行告警。

⑤溫濕度監控：實時監控溫濕度，當溫濕度低于報警閥值下限或高于報警閥值上限時，自動記錄和告警；同時啟動加溫或除濕模塊工作。

⑥圖像監控：當出現柜門開啟、儲位異常等情況時，進行拍照記錄存檔，并通過接口上傳到管理系統中。

1.2.4 數據接口

智能周轉柜與外部系統接口分為以下兩種。一是周轉柜與營銷業務應用系統接口，主要負責周轉柜與營銷業務應用系統的業務交互；二是周轉柜與生產調度平臺的接口，主要負責周轉柜監控部分的數據交互。子營銷業務系統及計量生產調度平臺系統接口采用Web Service 中間庫的方式，采用串口方式和下位機通信[14]。

1.3 電控設計

電控控制框圖如圖1所示。系統采用單塊主控板和多塊I/O板架構，主控板與計算機進行RS-485通信，每塊I/O板對應控制單塊存儲板，實現存儲板的LED指示燈、儲位狀態信息與計算機的數據交互。單位主控板的RS-485地址固定，多塊I/O板的RS-485地址通過撥碼開關設定。主控板具有兩路隔離的RS-485通信接口，一路與計算機通信，一路與多塊I/O板通信。主控板接收計算機指令，并把指令傳遞給I/O板，再由I/O板控制存儲板上LED指示燈的亮滅；I/O板實時讀取存儲板上的儲位狀態，再由主控板實時輪詢I/O板所讀到的儲位信息，并通過主控板把存儲板上的儲位信息傳遞給計算機。

圖1 電控控制框圖

1.3.1 硬件電路設計

主控板硬件電路主要由溫濕度傳感器電路、掉電檢測電路、微處理器、2路隔離開關電源、2路RS-485通信接口電路、日歷時鐘電路、柜門監控電路等構成。隔離開關電源輸出5 V隔離電壓，為RS-485通信接口電路提供隔離電源。

I/O板硬件電路主要由微處理器、1路隔離開關電源、1路RS-485通信接口電路、儲位檢測電路、LED指示燈驅動電路、撥碼開關電路等構成，I/O板的RS-485通信地址由撥碼開關人工設定。

儲位檢測傳感器采用普通微動開關，簡單可靠，其檢測電路如圖2所示。當存儲板上放置電能表等物體時，被放置的物體會接壓微動開關使其處于閉合狀態，光耦的輸入端導通，經過光耦的光電轉換，光耦的輸出端輸出低電平；當存儲板上沒有放置物體時，微動開關處于斷開狀態，光耦的輸入端不導通，光耦的輸出端為高電平；通過微處理器檢測光耦輸出端的高低電平狀態來識別存儲板上是否放置電能表等物體。

圖2 儲位檢測電路

1.3.2 嵌入式軟件設計

微處理器軟件采用C語言編程。I/O主程序流程如圖3所示。

圖3 I/O板主程序流程圖

撥碼開關狀態掃描，讀到撥碼開關值作為I/O板的RS-485地址。I/O板作為從機與主控板進行RS-485通信，接收主控板的命令，控制儲位指示燈的亮與滅，把實時讀取到的儲位狀態信息傳遞給主控板。假設某個儲位的指示燈已處于點亮狀態，當對應的儲位狀態有變化時，無需主控板通信控制，I/O板程序直接控制對應儲位指示燈閃爍3 s，提示用戶儲位已放好或者拿開。假設某個儲位的指示燈已處于關滅狀態，當對應的儲位狀態有變化時，無需主控板通信控制，I/O板程序直接控制對應儲位指示燈以比較快的頻率一直閃爍，提示用戶主控板存在故障。

主控板主程序流程如圖4所示。

圖4 主控板主程序流程圖

2 試驗過程

在使用周轉柜前，供電所電能表儲存和領用全靠人工管理，資產管理人員只能將零散備用電能表放在庫房中，搶修人員領取電能表需通過營銷計量資產管理人員，影響了搶修效率。而智能周轉柜投入使用后，供電所的師傅通過正常的用戶名密碼登錄系統，選擇周轉柜觸摸屏上的“搶修預領”按鈕，按照多媒體智能引導系統完成搶修預領操作，領取兩臺電能表前后只用40 s左右。

上述計量器具智能周轉柜系統的設計技術，已成功用于I型、II型、III型周轉柜，并實現批量生產，在山東、湖南、江西、安徽、浙江、遼寧等地得到廣泛應用。經過近2年的運行，智能周轉柜能夠完成系統設置、身份認證、儲位管理、智能引導、入庫、出庫、庫存盤點、監控等功能。系統有效規范了基層供電公司、供電所電能表的管理流程，實現了網絡平臺化控制，取得了良好的應用效果，具有廣闊的應用前景。

3 結束語

智能化的出入庫管理，可以像銀行ATM機一樣無人值守，有權限的操作員可隨時對周轉柜進行存取表的操作，方便了搶修人員在夜間、節假日的快速領表。

采用單塊主控板和多塊I/O板的RS-485總線通信控制系統，解決了大量信號的輸入輸出控制問題。在計算機和I/O板之間引入主控板。主控板實時輪詢所有I/O板的儲位信息，解決了計算機直接RS-485輪詢多塊I/O板響應慢的問題。系統具有人性化的燈光引導功能。當用戶儲位正常工作時，對應儲位指示燈自動閃爍3 s，提示用戶操作正確；當儲位異常時，對應儲位指示燈自動閃爍告警。