基于觸摸屏控制下的智能實驗安全保護監控系統的設計研究

羅旭，陳歡，劉曉卿，夏熙鵬

（四川鐵道職業學院，四川 成都 611732）

1 前言

本項目是針對學校、企業實驗室設備使用安全、設備使用管理、設備使用時間、設備使用壽命、人身安全、科學登記、各實驗電路保護整定值智能化提出的，現從學校、企業以下問題及本研究著手處理的辦法來概述。

問題：（1）學習、實驗導致全實驗室跳電、甚至樓層跳電、故障位置難尋、實驗錯誤難尋；（2）實驗室使用頻率全靠人工自覺填寫、容易錯漏、易于導致實際使用頻率與學院統計偏差較大；（3）大型設備由于購置后通電時間較少，設備長期不通電導致設備損壞；（4）實驗室用電耗能不能科學管理，導致部分，部分實驗室由于設備損壞導致耗電異常不能及時發現；（5）實驗室用電三相不平衡導致樓層跳電，不能及時找到故障實驗室；（6）讓不懂電的人和學員直接觸碰帶三相電的空氣開關，危險性大。

本項目處理方法：（1）每臺實驗設備配置本課題開發的實驗安全保護下位機，電路電壓整定值由上課人工點擊觸摸屏上的實驗項目設置，僅對課題實驗項目通電；（2）實驗室使用時，使用人員通過本項目開發的觸摸屏登錄，打開電源，既能記錄通電使用時間及用電情況，又能讓人工對實驗臺分組管理，并實時記錄；（3）通過三相電的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數的實時顯示，讓實驗管理員能及時發現問題解決問題；（4）實驗、學習、進行合閘操作僅僅面對界面友好的觸摸板，輕輕點擊按鈕，遠離危險電壓。

2 智能實驗安全保護監控系統的結構與原理

2.1 系統結構

智能實驗安全保護監控系統設計如圖1所示。硬件系統主要由試驗模塊電源單元、保護設備接口、邏輯門電平標準(transistor—tran—sistor logic，TTL)轉RS485通信模塊、交直流電源模塊、觸摸屏、電流電壓采集與處理單元組成。其中，電流電壓信號采集與處理單元主要由電流互感器、電壓互感器信號采集、繼電器輸出模塊、STM32F103最小系統等組成。軟件系統模塊主有單片機數據采集與通信程序、MCGS通信驅動程序、MCGS控制策略和MCGS組態設計組成。其中，保護設備接口接口選用航空多芯插座（根據電源類型可增加）；信號采集電路采用電壓互感器、電流互感器、AD/DA轉換，處理為單片機可安全識別的信號；單片機負責采集信號的分析處理，并將數據打包傳送，同時還要接收上位機發送的指令驅動繼電器輸出模塊開關閉合；TTL轉RS485通信模塊負責實驗安全保護下位機群與觸摸屏之間安全可靠的數據傳輸；繼電器輸出模塊選擇是用于控制相應需要使用的實驗臺電源模塊，同時也可以切換不同保護電壓電流值用于檢測控制導引信號的電路參數是否處于正常實驗電壓電流范圍內；觸摸屏在本設計中可視為上位機，負責人機交互與檢測邏輯分析及記錄。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 系統工作原理

保護監控模式（小于3A電流）連接方式實驗安全保護監控下位機工作原理圖如圖2所示。按照國家標準，在電源接入實驗安全保護監控下位機過程中，需要確定工作模式是采用三相三線制還是三相四線制，同時還需要判斷三相電源是否完全連接,插口的相序是否正確。在本設計中，為了防止相序的錯誤連接，在負載模塊和實驗安全保護監控下，位機之間采用國家標準的航空插頭，具有防呆設計，在電源設備和下位機直接增加地線，用于保證設備及用電安全。電流電壓采集模塊將這些信息通過RS485通訊傳送到上位機，上位機的組態界面將直觀地顯示當前的操作狀態與信號參數。與用戶當前實驗設定開通的實驗模塊的參數的對比，若符合開通的實驗模塊范圍，通過指令發送繼電器閉合指令，單片機接收該指令并驅動繼電器模塊中的某一繼電器開關閉合，負載模塊接入電路當中。電流電壓采集模塊監測到負載電壓電流變化，若某時刻電流電壓超過用戶給定的參數范圍，繼電器離開斷開，負載立即切斷電源。圖2保護監控模式連接方式的控制導引檢測原理圖上位機還可以在實驗過程中或者實驗完成后，通過指令控制選擇繼電器的狀態，選擇不同的實驗模塊進行通電，或者設定某一實驗模塊通電時間、通電電壓、通電電流、通電功率，并實時監控記錄，最終可以給出實驗時間、實驗過程曲線。

圖2 保護監控模式連接方式的控制導引檢測原理圖

3 硬件系統設計

3.1 觸摸屏選型

基于組態軟件McgsE嵌入式開發的組態工程需要運行于昆侖通態的MCGSTPC系列嵌入式一體化工控機(簡稱觸摸屏）。TPC7062Ti，是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能,其通信接口豐富，有1路RS485、l路 RS232、1路LAN、1路USB。本系統選用RS485接口與下位機通訊、USB導出存儲數據。

3.2 實驗安全保護監控下位裝置設計

單片機采用基于ARM CortexTM—M3內核的低功耗STM32F103單片機。芯片具有豐富的外設，具有1路區域網絡控制(controller area network，CAN)、支持12位ADC轉換、3個通用同步／異步串行接收／發送器(universalsynchronous asynchronous receiver transmitter，USART)、3路16位帶捕獲功能的定時器、時鐘頻率可達72 MHz，完全滿足系統需求。連接確認信號主要檢測電源端的三相四線電壓電流，但是由于是高壓電，單片機不能直接讀取，所以需要用過電壓電流采集模塊進行電壓電流的變換成較低電壓的模擬信號，再由單片機根據采集的AD值的區間決定采集信號的分壓比。實現當采集電路在小信號時直接連接運算放大器，大信號時先分壓后連接與運算放大器，在整個電壓電流值范圍內能輸出安全可靠的電流電壓。

3.3 單片機程序開發

單片機的程序編寫采用了模塊化設計思想。軟件主要由主程序、外設初始化與電壓信號采集、電流信號采集、串口通信數據處理等部分組成，系統主流程如圖3所示。

圖3 系統主流程

電壓電流信號采集子程序通過量程的選擇，對該量程下的信號進行模數(analog to digital，AD)轉換，為獲取穩定的AD值進行數字濾波，當前交流電壓與交流電流值即可得出。通過定時器及輸入捕捉功能即可計算得出通電時間、通電功率、通電電流參數值。為簡化計算頻率方式，在進行定時器初始化時，時鐘配置為1MHz，則一個計數值為10us，配置TIM5為上升沿捕捉方式，將中斷開啟。中斷子函數對相關寄存器進行賦值，并捕捉相鄰的兩個信號波上升沿，以標記一個周期進行波形參數采集。

3.4 MCGS通信腳本驅動程序開發

設備窗口是MCGS系統與外部硬件設備間的連接紐帶，可將外部硬件設備的數據讀取至MCGS，進而對外部設備進行控制與監控。在本設計中，由于通信模塊的的數據傳輸采用標準的MODBUS-RTU的通信協議，理論上可以實現一個上位機控制248個下位機的數據采集和執行，并且采用國際通用的MODBUS-RTU可以實現系統開發的可拓展型，因此需使用時需要編寫MODBUS-RTU通訊方案。使用如圖4所示的MODBUS-RTU通訊方案，將編寫的程序通訊方式在MCGS和單片機進行通訊測試，多臺下位機同時在一個系統時修改地址即可。

圖4

3.5 MCGS功能策略及畫面

MCGS采用如圖5所示的多線程工作方式，保證運行系統的高效率。智能實驗安全保護監控系統啟動界面如圖6所示，保護監控在系統上電后直接啟動運行，所有的繼電器恢復默認為斷開狀態，系統的邏輯判斷與控制在MCGS的循環策略中執行的。圖7為系統控制界面，在循環策略中不斷地將多臺下位機傳送來的數據進行解析，并與畫面中設定狀態參數進行比較，按照控制界面的指令發送相應控制命令，實現智能實驗安全保護監功能檢測，完成對全系統的檢測和保護。智能實驗安全保護監控系統的界面組態主要有登錄界面、監控控制界面、數據查詢界面等。控制界面將用戶設定的關鍵保護數據數據、多臺下位機等組態到界面里，方便使用人員隨時控制及觀察實驗設備使用電流電壓。登錄界面界面設計了多用戶登錄模式，不同的用戶可以設置控制不同的下位機或者通電電壓電流，修改密碼等。查詢模式界面主要是當前歷史數據的顯示。可以用于統計設備使用時間、通電時間，保護跳閘時間、保護跳閘電流電壓等。

圖5 MCGS多線程工作方式

圖6 系統啟動界面

圖7 系統控制界面

4 結語

本項目的實用性在于，既能保護學員、教員的用電安全，又能通過構建智能電力控制單元讓學員和教員得到鍛煉，為學員提供更為豐富的教育資源，加強課內理論知識和課外實踐活動的呼應，切實提高學員實踐能力，既能讓教員方便操作又能讓實驗登記變得高效，既能節約電能又能對實驗臺用電進行生命周期管理，通過智能用電實驗單元學員的實驗、學習，對操作能力進行全方位的訓練。

本項目基于通用觸摸屏、MCU和智能多功能下位機的各種參數進行記錄，有可編程測量、顯示、數字通訊和電能脈沖輸出等功能的采集,能夠完成電量測量、電能計量、數據顯示、采集及傳輸，可廣泛應用變電站自動化、配電自動化對智能建筑、企業內部的電能測量、管理、考核。測量精度為0.5級、實現LED現場顯示和遠程RS-485數字接口通訊，采用MODBUS-RTU通訊協議。使用范圍廣、成本低，既能獨立運行又能成片成網，對整個設備用電情況進行科學記錄和判斷，能有效降低企業的經濟成本，科學省電，為設備科學管理提供依據。