低壓配電柜智能開關系統設計

宋偉男 朱述振 邵 安

(中國郵政儲蓄銀行總行數據中心，安徽 合肥230601)

隨著自動化設備在各行各業中的多用途普及使用，其配電系統也朝著智能化方向迅速發展。低壓配電柜是配電系統的重要組成部分[1-2]，承載著電路終端耗能元件與前端交流供電，主要用于部署各種元器件以實現照明、動力輸出、電能轉換與控制、信號顯示與監控等功能。在銀行后臺數據中心、運維機房中[3]，低壓配電柜同樣具有廣泛用途。

在銀行運維機房中，因其用途的特殊性，低壓配電柜需專業運維人員負責日常維護與檢查，其電柜門是運維人員接觸最多部位[4-5]，打開電柜門既可以檢查內部溫升情況，又便于進行各種維護操作[6]。由于低壓配電柜輸入的低壓交流電通常為50Hz額定頻率、380V 額定電壓[7]，對于經常直接觸摸電柜門的運維人員來說，具有較大的安全隱患。因此，設計一種低壓配電柜智能開關系統具有重要意義。

1 智能開關系統硬件設計

智能開關系統的設計要確保低壓配電柜門可實現遠程遙控開啟、溢值報警、自動彈射等功能，有效避免開門時運維人員與電柜門的直接接觸，門內溫度超出閾值時可自動開啟電柜門散熱并發出報警，門內監測溫度可動態顯示。

本系統是以AT89C51 單片機芯片作為控制單元，輔以A/D、供電電源等外圍電路，外接柜內溫度監測單元、開關控制單元、遙控單元、警示單元等系統模塊。其硬件電路結構框圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路結構框圖

AT89C51 單片機是系統控制核心，負責實時處理溫度監測單元傳送過來的門內溫度信號、向MOSFET 功率開關管發送PWM 高低脈沖信號、接收遙控信號、溫度動態顯示與溢值報警等，是系統調度、信號識別與處理、指令信號傳輸的核心結構。供電電源分兩路為系統供電，一路采用反激式開關電源，將380V工業交流電轉換為5V 直流電供AT89C51 單片機使用，另一路將380V 工業交流電直接供給開關控制單元。

1.1 開關控制單元包括MOSFET 功率開關管、電磁開關和彈射系統，其中，MOSFET 功率開關管采用P 溝道MOSFET 場效應管，擊穿電壓為1200V，可滿足本系統需要。當AT89C51 單片機接收到紅外無線信號或溫度監測信號超出閾值時，自動發出高電平脈沖時開啟MOSFET 功率開關管，從而接通開關控制電路，電磁開關通入電流后，通電線圈產生電磁吸力，移動鐵芯開啟彈射系統，將電柜門打開。

1.2 溫度監測單元包含溫度傳感器和A/D 轉換器，溫度傳感器安裝于低壓配電柜內，負責動態監測內部空氣溫度，并將檢測模擬信號實時傳輸至A/D 轉換器，將模擬信號轉換為數字信號供AT89C51 單片機識別、判斷，當溫度信號超出閾值時，AT89C51 單片機自動開啟報警器進行蜂鳴報警，同時向MOSFET 功率開關管發送高電平脈沖信號，開啟電柜門。

1.3 遙控單元包括紅外遙控器和無線接收器，當運維人員需要開門操作時，可通過紅外遙控器發送紅外電磁波，無線接收器接收后將該電磁波信號放大及處理后，將對應電信號發送至AT89C51 單片機，從而開啟電柜門。

1.4 警示單元包括LCD 觸摸屏和報警器，LCD 觸摸屏負責設置臨界溫度值、顯示動態監測溫度，報警器可提供蜂鳴報警。

2 智能開關系統軟件設計

智能開關系統的控制單元及其命令執行是由軟件來實現的，本系統軟件在Keil C51 開發環境中運行，采用C 語言編程，Keil C51 軟件提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，可以完成本系統軟件編譯、調試、連接、仿真等整套開發流程，為C 語言編程提供可靠的開發環境。C 語言編程簡易明了、言簡意賅，在結構功能、可讀性、可維護性等方面具有較大優勢，符合本系統編程所需語言要求，系統軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統軟件流程圖

系統開機，程序自動初始化后，下一步指令進入main()函數內的LCD 觸摸屏參數設置與顯示子程序，給臨界溫度賦值T、動態顯示低壓配電柜內的實時監測溫度t；之后，順序進入t 與T 的溫度判斷子程序，當t＜T 時，監測溫度未達到臨界溫度，門內溫度較低，指令自動進入是否獲取無線紅外信號的判斷子程序，當未獲取到無線紅外信號時，程序返回溫度判斷子程序，依次循環；當t≥T 或獲取到無線紅外信號時，指令控制發送高電平脈沖信號，打開MOSFET 開關管，接通開關控制電路，打開電柜門，高電平延時5s 后轉為低電平脈沖信號，關閉MOSFET 開關管，斷開開關控制電路，程序返回溫度判斷子程序，等待下一次開啟指令。延時5s 關閉開關控制電路，能夠在非必要時降低電能消耗，節約能源。

3 結論

低壓配電柜智能開關系統是從實際問題角度出發，解決銀行運維機房中低壓配電柜門在運維人員巡檢時的安全問題。該系統采用AT89C51 單片機及A/D、供電電源等外圍電路，外接柜內溫度監測單元、開關控制單元、遙控單元、警示單元等系統模塊，實現了智能開關系統的硬件設計，同時，依托于Keil C51開發環境，采用C 語言編程方式，繪制出了系統軟件主程序流程圖，從軟硬件方面實現了低壓配電柜智能開關系統，有效解決了非接觸式打開問題，同時具有遠程超溫報警、自動彈射等功能，確保了運維人員的操作安全。