某型機車遠程電氣控制柜監控系統設計

姚陽，楊存平，王際

（資陽中車電氣科技有限公司，資陽 641300）

引言

電氣控制柜是機車的控制中樞，目前某些國產機車的電氣控制控制臺柜依舊停留在定期進行人工維護和檢查的階段中，在列車運行過程中無法對這類電氣控制設備的健康狀況進行檢查。因而設計電氣控制柜監控系統對電氣控制柜中各項數據進行實時的高精度數據采集，并通過無線通訊技術傳輸至遠端上位機，在上位機上實時反映電氣控制柜各項電力參數以及柜內環境數據。與傳統的電氣控制柜相比，加入該監控系統的電氣控制柜在運行的安全和可控上實現了較大的提升：電氣控制柜可遠程與計算機進行通訊，實現數據的實時在線監測、預警及存儲；而且依靠各型傳感器實時感知電控柜內部異常環境變化，一旦出現緊急情況，及時發出預警并遠程斷開回路，工程技術人員可在第一時間對故障進行排查與維護，提高了機車配電安全性及可控性。

1 系統總體方案設計

機車電氣控制柜監控系統基于用戶對現場電氣控制柜內重要電氣部件配電情況監測的需求，采用51系列單片機結合各種傳感器設計組成智能儀器，采用PC（結合LabVIEW軟件）構成上位機，對電氣控制柜關鍵回路上的電壓、電流、功率以及功率因數進行監測。在Lab-VIEW軟件開發環境下，利用圖形化編程語言，開發上位機監控程序，進行實時數據監測。具備數據的顯示、數據存盤、導出等功能，并對設備運行過程中各項電能數據設置閥值，一旦超標，立即通過聲光方式進行預警，并及時驅動繼電器斷電保護電路，快速控制意外情況造成的損失和傷害擴大。系統總體結構如圖1所示。

系統采用模塊化設計，電氣控制柜監控系統設計主要由數據采集終端設備、GPRS無線數據傳輸模塊和上位機組成[1]。數據采集終端設備主要是以STC89C52單片機為核心，結合電流、電壓互感器，溫濕度傳感器、聲光報警電路、LCD12864顯示單元以及繼電器保護電路（上位機發送指令，由單片機控制繼電器的來斷開或者閉合回路）構成下位機，完成數據的采集傳輸以及電氣回路的控制。GPRS無線數據傳輸模塊主要負責數據的實時傳輸通訊，將各路傳感器獲取的數據通過STC89C52處理后由GPRS無線傳輸模塊進行遠距離數據傳輸。這種無線傳輸方式相較于有線傳輸成本優勢明顯，適合遠距離且數據量不大的數據傳輸。上位機主要由PC借助LabVIEW（虛擬儀器）為開發平臺進行編程。上位機主要負責電力參數、環境參數的監控：當電氣控制柜發生異常及時預警以及提供數據存儲功能，當系統出現異常，上位機會將預警部分加以顯示，并且對異常情況進行記錄。工作人員不僅能夠對當前數據實時觀測，也能夠查詢以往數據，選擇數據存盤，電力數據會以Excle的格式進行數據存儲，結合監控軟件可實現對歷史數據的讀取，并且以波形圖的形式更加直觀復現[2]。

2 硬件系統設計

電氣控制柜監控系統硬件系統采用模塊化設計。下位機主要包括以STC89C52為核心的主控制器、前端數據采集電路（電壓、電流互感電路）、溫濕度傳感器電路、繼電器保護電路、預警電路、顯示電路以及GPRS數據的發送模塊；上位機主要是由STC89C52主控制器、GPRS數據接收模塊和PC組成。下位機主要承擔電氣控制柜電力數據的采集與傳輸以及配電箱運行環境的監測和保護；上位機主要負責數據的接收、顯示、預警和保存以及控制電氣控制柜電氣回路。硬件系統設計以設計需求為出發點，通過分析設計需求，硬件選型、硬件電路設計和調試來完善硬件系統設計。

2.1 電能數據采集端設計

1）電壓互感器模塊

電壓互感器是系統的前端電壓調理部分，采用變比為2 mA/2 mA板載精密電壓互感器，板載高精度運放電路，可以對信號精確采樣和做適當的補償等功能，模塊可以測量1 200 V以內的交流電，對應模擬輸出可以調節，輸出的波形為正弦波，輸出的波形可以調節。

2）電流互感器模塊

電流互感器的感知電流的方式和變壓器原理類似。電流調理部分采用變比20 000：1 的電流互感器，將大電流轉化成小電流，然后經電阻將電流信號轉變成電壓信號輸入到CS5460A電能計量芯片相應管腳，并在前端電路加入RC濾波電路對信號初步濾波。經過CS5460A電能計量芯片的A/D轉換以及DSP處理，再由芯片輸出端以脈沖輸出的方式進行電流計算。在本設計中取電流互感器的量程為0～1 000 A。

3）CS5460A電能計量模塊

CS5460A是美國Cirrus Logic公司推出的一款用于專門測量電壓、電流、功率和能量的集成芯片。芯片輸出脈沖頻率與有功能量成正比，將脈沖輸出管腳連接至CPU，單片機能夠快速的計算電能數據。許多的電能計量儀表都采用此款芯片進行開發，芯片內部實現數模轉換，省去了許多的轉換電路設計，縮短了開發時間。結合CS5460A的特性，系統前端數據采集電路采用這款芯片進行電能計量[3]。

圖1 系統總體結構

電能數據采集端電路設計如圖2所示。

圖2 電能數據采集端電路設計

2.2 溫濕度采集電路設計

本文主要針對的是某型機車電氣控制柜，機車在運動過程中會使得機車整體包括配電箱的使用環境會發生巨大的區域與時間變化。不同地域的溫濕度差別較大，不同時間特別是早晨、夜晚，氣溫的變化也較大，空氣濕度的增加都容易造成機車電氣控制柜壁結露甚至凝霜，很容易造成電氣控制柜內部回路接觸點出線短路或者接觸不良，危害機車用電安全。因此選擇溫濕度傳感器進行環境數據監測，對溫度、濕度設置合適的閾值并且與聲光報警電路結合。當溫度或者濕度超出閾值，聲光報警電路及時預警。溫濕度傳感器DHT11與STC89C52的連接如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器與單片機的連接圖

2.3 報警電路設計

報警電路由蜂鳴器和LED發光二極管構成報警電路提供聲光報警。單片機設置的參數超過對應設置的閾值時，會觸發LED二極管發光，蜂鳴器發聲。報警電路設計如圖4所示。

圖4 聲光報警電路

2.4 顯示電路設計

顯示的參數主要包括：電壓、電流、功率以及功率因數，還有包括溫濕度傳感器獲取的溫度、濕度，LCD12864還需要實時顯示電氣控制柜內部工作環境是否正常（如果電氣控制柜內部溫度、濕度或者發生電氣火災都會顯示設備報警）。LCD12864液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD12864液晶顯示電路設計

3 軟件系統設計

監控系統軟件設計主要包括上位機程序和下位機程序。上位機借助LabVIEW為平臺主要完成登陸界面的編程開發、數據顯示界面、故障預警以及數據存盤（電力參數抄表功能）。下位機主要是由各路傳感器以及預警電路組成[4]。下位機控制核心為STC89C52型單片機，主要包括數據采集子程序、數據顯示及故障預警子程序、串口通訊子程序和主程序組成。系統結構框圖如圖6所示。

圖6 系統結構框圖

3.1 登陸界面設計

登錄界面主要是針對用戶開發的賬戶管理界面，用戶必須輸入特定的用戶名和對應的密碼才可以進入監控界面。用戶可以在更改用戶名與密碼，但是需要更改用戶名和密碼的權限（程序經過加密，沒有權限密碼不能修改程序）。機車電氣控制柜監控系統界面的登陸界面如圖7所示。

圖7 智能電氣配電箱監控系統登陸界面

3.2 選擇界面設計

機車上往往不只有一個電氣控制柜，電氣控制柜監控系統在設計時就考慮到了監控系統可以針對機車上的一個電氣控制柜或者多個電氣控制柜進行監測。監測對象的選擇界面如圖8所示。

圖8 電氣控制柜數據監控選擇界面

3.3 監控界面設計

監控系統最重要的是實時監測電氣控制柜各項電力參數以及環境參數。界面主要顯示各項電力參數以及當前溫濕度值，同時在每個監測參數后面設計雙色指示燈作為提示，當監測數據超出規定的閾值，指示燈將由綠色變為紅色。對電氣控制柜一路母線和三路出線的電壓、電流、功率以及功率因數進行實時顯示，并且為電壓、電流、溫度、濕度設計閾值，當實時檢測值大于閾值時會觸發報警。并且以波形圖的形勢將功率譜直觀的顯示在監控界面前面板上，增加數據存盤功能，用戶可以對當前數據進行保存供日后調用查詢。監控界面如圖9所示。

圖9 監控界面

3.4 數據采集主程序設計

電氣控制柜監控系統主程序設計是下位機程序設計的核心；主程序主要包括數據采集子程序、數據處理子程序以及GPRS/12864初始化[5]。下位機數據采集主程序的框圖如10所示。

圖10 下位機數據采集主程序框圖

3.5 串口通訊程序設計

CS5460A電能計量芯片與STC89C52的串行通訊如圖11所示。

3.6 數據采集子程序程序設計

數據采集終端控制核心STC89C52單片機初始化后，電能計量芯片CS5460A上電復位，而后接收并處理來自電壓、電流互感器傳輸的模擬信號，在CS5460A內部進行A/D轉化并進行數字信號處理。單片機核心不斷查詢是否讀完，讀完后進行數據存盤。數據采集的流程如圖12所示。

圖11 串行通訊程序流程

圖12 數據采集子程序流程

4 結論

本論文主要針對某型機車電氣控制控制臺柜等電氣控制設備依舊停留在定期進行人工維護和檢查的階段中，在列車運行過程中無法對這類電氣控制設備的健康狀況進行檢查。因而設計電氣控制柜監控系統對電氣控制內部關鍵參數進行實時的高精度數據采集，并通過最新數字無線通訊技術傳輸至后臺監測控制系統，通過上位機監測控制軟件實時反映電力參數以及環境狀態，同時為電氣控制柜增加了可遠程控制斷開回路功能。重點研究的是LabVIEW 與嵌入式開發的融合，此系統可以實現在多種工作環境中有效監視電氣控制柜的運行狀態，及時發現、預警并且處理故障，在電氣控制柜電力參數監測與可控性方面具有較好的應用前景。