大学校园配电网远程监控系统设计
2021-09-17陈文科
陈文科
（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙，410004）
高等院校配电网承担着将电能分配至各用电单位的任务，是确保校园电力系统正常运行的重要环节，对其进行监测具有重要意义[1]。对于建设较早的高校，校园配电网的监测主要通过人工完成，采用专人定时定点对配电网进行巡检，具有劳动强度大、工作效率低等不足[2]。随着自动控制技术的快速发展，部分高校逐步对其配电网监测系统进行了升级改造，以PLC为监测系统核心，构建了自动化配电监测系统，一定程度上优化了传统配电网监测系统，但不具备远程监测能力，其智能程度有待提升[3-4]。针对上述不足，本文设计了基于PLC+无线通信技术的校园配电网智能监控系统，实现了校园配电网的本地监控和远程监控。
1 系统总体设计
本文设计的大学校园配电网智能监控系统由感知层、传输层和应用层组成，其总体结构如图1所示。感知层由基于现场总线的配电网测控单元及感知层主控PLC构成，主要实现对配电网主要断路器工作状态、配电网电流、电压、功率等参数的测量，并能根据应用层所下达的控制命令实施对配电网现场设备的运行控制。传输层由PLC无线通信模块构成，主要实现感知层与应用层之间的监测信息的传输。应用层由安装有监控软件的计算机构成，实现对配电网的远程可视化监控。
图1 系统总体结构图
系统工作过程如下：感知层的主控PLC通过现场总线获取配电网信息，经过处理、运算后由传输层的PLC无线模块发送至互联网，应用层的上位机可以通过监控软件实时显示配电网各类参数。此外，用户可以通过监控软件下达控制命令，实现对现场配电设备的控制。
2 系统硬件设计
■2.1 感知层硬件设计
感知层硬件主要负责对配电网现场信息进行采集、执行应用层下达的控制命令，其主控PLC运行是否稳定可对整个系统至关重要。主控PLC品牌工业生产中应用广泛的德国西门子PLC。根据系统总体方案，主控PLC与各测控单元采用现场总线进行信息交互，进一步确定主控PLC需具有总线功能。结合主控PLC对运算能力、运算速度等方面的要求，确定采用结构紧凑的S7-1200 PLC。
感知层测控单元要求既能对配电网现场参数进行采集，还能控制配电网现场设备，且具有现场总线通信功能。配电网现场参数包括主要断路器的通断状态、电流、电压、环境温湿度等，涵盖数字量信号、模拟量信号，要求测控单元既有数字量输入功能，还需有模拟量输入功能。配电网设备控制一般要求数字量输出控制。综合上述要求，考虑与主控PLC通信的便利性，测控单元采用西门子S7-1200 PLC+PROFINET总线扩展模块的结构形式，具体如图2所示。PROFINET总线扩展模块采用南京实点电子科技有限公司PROFINET一体式I/O，其特点是占用空间少，传输速率可达100Mb/s，传输距离可达100m。本文中采用的数字量输入模块型号为PN4-1600B，数字量输出模块型号为PN4-0012J，模拟量输入型号分别为电流模拟量输入PN4-A40I和电压型模拟量输入PN4-A40V。
图2 测控单元硬件结构
■2.2 传输层硬件设计
传输层硬件的功能是实现主控PLC与远程监控系统之间的信息交互，是信息交互的中介。根据功能要求，网络层硬件要求既能与PLC进行通信，又能与外网进行通信，采用专用的PLC无线通讯模块可实现该功能。本文中采用PLC无线通讯模块为广州市巨控电子科技有限公司所生产的GRM530，该模块可以通过以太网与S7-1200 PLC进行信息交互，采用4G无线技术与外网进行信息交互，具体参数如表1所示。
表1 GRM530典型参数
■2.3 I/O地址分配
根据系统硬件设计方案，感知层PLC主要负责读取各个传感器数据并进行转换，其 I/O地址分配如表2所示。
表2 感知层PLC I/O分配表
3 系统程序设计
■3.1 感知层PLC程序设计
西门子S7-1200 PLC采用博图软件进行编程，在进行程序设计前，需要根据系统硬件进行组态。将南京实点电子科技有限公司PROFINET一体式I/O所对应的GSD文件导入博图软件，根据感知层硬件电路完成设备组态，具体组态如图3所示。
图3 硬件组态图
感知层PLC程序的功能是实现对现场传感器信号采集、转换及发送，其程序流程图4所示。
图4 PLC程序流程图
本文以三相电压采集及发送为例，具体分析其程序程序设计。三相电压采集及处理程序如图5所示。采用标准化指令NORM_X将采集信号归一化为0.0～1.0之间的浮点数，采用缩放指令SCALE_X将归一化后的浮点数据转换为电压值。
图5 电压信号采集程序
三相电压发送程序如图6所示。采用基于CPU集成的开放式用户通信，通过TSEND指令定时发送三相电压。
图6 压信号发送程序
■3.2 远端监控程序设计
图7 上位机监控界面
PLC无线通讯模块GRM530支持力控、昆仑通态、WINCC等多种组态软件，组态软件能够通过巨控OPC Server获取配电网现场信息或实现对现场配电设备的操作。由于感知层硬件核心为西门子PLC，采用广泛应用于工业控制领域的集生产自动化与控制自动化的可视化软件博图开发上位机监控界面。上位机监控界面如图7所示，主要包括设备状态、设备管理、报表数据及报警历史等页面。
4 结语
针对传统大学校园配电网监控系统存在的操作人员劳动强度大、工作效率低等不足，设计了基于西门子S7-1200 PLC+巨控PLC无线通信模块GRM530的配电网远程监控系统。该系统采用感知层、传输层及应用层的三层结构，感知层与传输层通过PROFINET总线技术互联，传输层与应用层通过无线通信技术及OPC技术互联，实现了配电网各部分现场参数的远程采集和配电网设备的远程控制，为配电网无人值守提供了一定的参考。
