一种实训室安全用电监控保护装置

谭 洁，刘 震

（铜仁职业技术学院，贵州 铜仁 554300）

0 引言

实训室是高职院校中每个专业进行实践锻炼的重要场所。实训过程中，维持设备有效运转的能量源头是电能。因此，如何有效安全用电，成为实训室建设和运行的重要问题。如果不能有效控制实训室的用电，就会给教学和实训带来很多麻烦和严重后果，比如触电事故、设备损毁、电气火灾等。在实训室管理过程中，实训设备的电源线没有与电源断开导致一些自启动设备在电网断电又来电这一过程中自行启动，设备长时间通电容易出现设备死机、发热，甚至引发火灾等问题。另外，实训室的用电情况不是一成不变的，当实训室的用途发生改变，该实训室所需要的最大功率限额也会发生改变。目前，国内改变实训室最大功率限额的方法是重新安装不同型号的空气开关或者安装可调节档位的空气开关。安装新的空气开关较麻烦，而可调节档位的空气开关价格昂贵，且调节档位有限。因此，构建科学、完善的实训室用电安全管理系统尤为重要。本文旨在实时监测多个实训室的用电情况，如有异常情况，设计的装置可随时断开对应实训室的供电，并告知实训室管理员是哪一间实训室用电异常，在一定程度上杜绝用电安全隐患，减少管理人员工作，降低管理难度[1]。

目前国家大力推行节能减排，合理、安全、高效利用实训室电能，也是响应国家节能减排理念的方式方法之一。学生上完实训课，实训设备、电子屏、日光灯处于工作状态是常有现象，一个实训室管理员负责多间实训室的管理，需要一一排查实训室的电源情况，排查过程不仅费时费力，且造成电能浪费。使用实训室安全用电监控保护装置，实训室管理员能够远程监控实训室的电能情况，能够及时、准确地控制实训室耗能设备的电源通断，不仅节约了电能，且避免了一系列安全事故的发生。

1 系统整体方案设计

针对不同实训室功率使用需求不一的情况，提出一种安全用电监控保护装置。该装置提供了一种软调节实训室最大功率限额的方法。用户可通过可触摸液晶屏设定多间实训室的最大功率限额。同时本装置能够实时监测多间实训室的用电情况，包括电压、电流、功率、负载性质等，如有异常情况可随时断开对应实训室的供电，有效实现实训室安全用电的统一管理。本系统采用功率电能采集模块采集电压、电流、功率、功率因数等数据，功率电能采集模与单片机之间的通信协议为MODBUS 协议[2]，借用RS-485 模块保证多个模块的正常运行；采用可触摸USART-HMI 液晶屏完成数据的显示及数据的设置，解析液晶屏显示的数据格式，用单片机按照此数据格式给液晶屏发送数据，以保障液晶屏的正常运行。整套系统结构简单，易于操作。方案框架设计如下。

（1）以STC15W4K60S4 单片机为控制核心[3]，用功率电能采集模块完成多间实训室用电情况的检测，包括电压、电流、功率、功率因数等（功率电能采集模块与单片机之间的通信协议为MODBUS协议[4]）。将采集到的数据与实际数据进行比较，若误差较大，则对其进行校准。

（2）采用RS-485 串行总线的方式完成多个模块的连接，以达到检测多路电压、电流、功率、功率因数的目的。

（3）采集到的数据通过USART-HMI 可触摸液晶屏实时显示，实现对实训室用电情况的实时监控；同时可通过液晶屏设定多间实训室的最大功率限额。单片机实时比较各个实训室的最大功率限额值与实时功率值，当某一实训室用电异常时，由单片机控制外围电路进行断电保护。系统控制框图如图1 所示。

图1 系统控制框图

2 系统子模块

为保证实训室安全用电监控保护装置的正常运行，需要根据各个子模块的功能选择合适的模块进行分工合作运行。

2.1 主控芯片

系统以单片机为控制核心器件，通过串口通信功能与功率电能采集模块、液晶显示屏等模块进行数据传输，需要多个串口进行通信。而传统的51系列单片机存在运行速度慢、I/O 口驱动能力弱、且一般只有一个串口，使用其作为主控芯片时需要用到串口拓展技术，系统调试较复杂、数据传输存在延迟。而本系统需要多个串口同时使用且要求系统的运行速度、系统稳定性等较高，综合考虑后选用STC15W4K60S4 系列单片机。相比于51 系列的单片机，STC15W4K60S4 系列单片机功耗较低、抗干扰能力强、可靠性高，且STC15W4K60S4 系列单片机拥有4 组独立的高速异步串口通信端口，功能强大。

2.2 功率电能采集模块

本文功率电能采集模块使用的是单相互感式的计量模块，能够采集电压、电流、功率、功率因数等多个单相交流电参数，且测量精度高[5]。该模块与单片机的通信采用的是MODBUS-RTU 串行通信协议，数据传输相对稳定，且安全性较高[6]。

多路功率电能采集模块与单片机之间需要实现远程数据传输，即远程通信。RS-232 和RS-485是常用的通信标准接口[7]。RS-232 具有接口电平信号值高、容易损坏芯片、传输速率低、抗干扰能力弱、传输距离较短等缺点，所以RS-232 通信接口不符合本文要求。RS-485 的接口电平与TTL 电平兼容，不易损坏芯片；RS-485 的传输速率最高可达10 Mb·s-1，且接口采用平衡驱动器和差分接收器组合，抗噪声干扰性能好；RS-485 接口的最大传输距离约为3 000 m，且具有多站能力。由于功率电能采集模块只带有TTL 通讯接口，且需要完成多路数据的采集，即需要多个TTL 转RS-485 的电路。作为搭建通信网络的一部分，为了提高整个电路的稳定性及可靠性，选用TTL 转RS-485 模块。

将多个功率电能采集模块和单片机通过MODBUS协议连接在一起，就形成了一个通信网络。单片机为主机，功率电能采集模块为从机，每个功率电能采集模块会分配一个地址。在通信协议中，单片机作为主机会向从机功率电能采集模块发送数据和指令，这些数据和指令包含每个从机的地址。每个功率电能采集模块都会收到数据和指令。当收到数据和指令时，功率电能采集模块会判断数据和指令中的地址码是否和本机地址一致。若不一致，功率电能采集模块不会进行处理。只有当数据和指令中的地址码和本机一致地址码，功率电能采集模块才会对数据和指令进行解析处理，并做出相应的动作，即判断CRC 校验是否正确。若CRC 校验正确，功率电能采集模块才会按照单片机发出的功能码指令、数据地址和数据进行处理。单片机向功电能采集模块发送的数据帧的结构如表1 所示。

表1 数据帧结构

此处的CRC 校验CRC16 占用两个字节，包含了一个16 位的二进制值。CRC 值由单片机计算出来，然后附加到数据帧上，发送给功率电能采集模块.功率电能采集模块在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC 值进行比较。如果这两个值不相等，就发生了错误[8]。

2.3 液晶显示屏

液晶屏是用作显示数据、显示各种信息的常用工具，它相比于数码管、指示灯等更直观、更具体。常用的液晶屏是LCD1602、LCD12864。这两种液晶屏体积较小且操作简单，通常只需要简单的程序编写就可完成数据的显示。但是两种液晶屏都只能单纯地显示信息，不能直接控制一个完整系统的其他器件。若需要实现控制，多数情况下是结合矩阵键盘实现。本文选用USART HMI 智能串口屏作为显示、控制器件，一方面不再需要矩阵按键配合使用，增加硬件负担，另一方面，可以直接通过液晶屏控制其他器件。

2.4 固态继电器

当实训室使用功率较大时，安全用电监控保护装置要及时稳定地断开电源以实现安全用电，从而达到杜绝安全隐患的目的。本文选用固态继电器[9]为核心器件实现电路的通断控制。使用固态继电器的原因主要有两个，一是为了实现器件的隔离或者控制端与设备端的隔离，二是实现用小信号控制大负载的功能。继电器可实现直流控制交流、直流控制直流、交流控制交流。本文选择的是直流控制交流功能，通过单片机的I/O 口来控制固态继电器。固态继电器另外两端接220 V 交流。

本文选用的固态继电器为CDG1 系列继电器，电流量程为40 A，具有电磁干扰小、高寿命、高可靠性等优点。由于实训室的电流较大，故需要配套散热器辅助固态继电器使用，以免出现安全隐患。固态继电器上有螺丝孔，可以用螺丝钉与散热器固定。由于单片机不具备驱动能力，故添加一个三极管，主要起放大作用。固态继电器控制较为容易，只需要单片机的I/O 口输出逻辑电平信号即可控制电路的开断。单片机与固态继电器的电路连接如图2 所示。

图2 单片机与固态继电器的连接电路图

3 系统软件设计

实训室安全用电保护装置的功能主要包括单片机控制功率电能采集模块完成数据的采集、USART HMI 液晶屏完成数据的显示及设置以及实训室用电情况的监控等，在程序的设计过程中，采用模块化思想设计各个模块的控制程序，可有效降低程序设计的难度，节约时间。

本文中，首先要实现单片机两个串口的初始化，保证在使用时两个串口不互相影响以及液晶屏能正常工作。在液晶屏设置好每间实训室的最大功率限额之后，液晶屏会把相应的数据返回给单片机。单片机用这个数据与控制功率电能采集模块采集到的数据进行实时对比，若实训室用电异常，由单片机控制固态继电器实现对电路的断路处理。系统程序流程如图3 所示。

图3 系统程序流程图

4 系统调试及结果分析

本文按照如下步骤对实训室安全用电保护装置进行系统调试。

（1）在USART HMI 智能串口屏上设置实训室最大功率限额。

（2）在USART HMI 智能串口屏上读取实训室的实时电压、电流、功率、功率因数等数据。同时借助万用表、钳形电流表等测量工具读取此时实训室的电压、电流值，并与串口屏上读取的数据进行比较。

（3）重新设置较小的功率限额，测试固态继电器是否正常工作。当实测数据大于设置的最大功率限额时，实训室断电，实测数据清零。

本文对3 间电子类实训室的用电情况进行了测试。当设定的额定功率值大于实训室设备正常运行时所测的功率值时，实训室处于正常通电状态；当设定的额定功率值小于实训室设备正常运行时的功率值时，实训室处于断电状态。测试数据如表2 所示。

表2 数据测量表

5 结语

实训室安全用电监控保护装置的主要功能是实现实训室最大功率限额的软调节以及实训室安全用电的统一管理。管理员可通过液晶屏设置每间实训室对应的最大功率限额，单片机实时比较最大功率限额与功率电能采集模块采集到的数据，若有异常，单片机控制外围电路进行断电处理。功率电能采集模块的控制借用RS-485 总线，该总线具有多站功能且数据传输距离较远，保障了多个功率电能采集模块正常运行，提高了系统的稳定性。功率电能采集模块与单片机之间的通信模式是MODBUS -RTU 串行传输模式，保障了数据传输的可靠性、实时性。