基于触摸屏控制下的智能实验安全保护监控系统的设计研究

罗旭，陈欢，刘晓卿，夏熙鹏

（四川铁道职业学院，四川 成都 611732）

1 前言

本项目是针对学校、企业实验室设备使用安全、设备使用管理、设备使用时间、设备使用寿命、人身安全、科学登记、各实验电路保护整定值智能化提出的，现从学校、企业以下问题及本研究着手处理的办法来概述。

问题：（1）学习、实验导致全实验室跳电、甚至楼层跳电、故障位置难寻、实验错误难寻；（2）实验室使用频率全靠人工自觉填写、容易错漏、易于导致实际使用频率与学院统计偏差较大；（3）大型设备由于购置后通电时间较少，设备长期不通电导致设备损坏；（4）实验室用电耗能不能科学管理，导致部分，部分实验室由于设备损坏导致耗电异常不能及时发现；（5）实验室用电三相不平衡导致楼层跳电，不能及时找到故障实验室；（6）让不懂电的人和学员直接触碰带三相电的空气开关，危险性大。

本项目处理方法：（1）每台实验设备配置本课题开发的实验安全保护下位机，电路电压整定值由上课人工点击触摸屏上的实验项目设置，仅对课题实验项目通电；（2）实验室使用时，使用人员通过本项目开发的触摸屏登录，打开电源，既能记录通电使用时间及用电情况，又能让人工对实验台分组管理，并实时记录；（3）通过三相电的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数的实时显示，让实验管理员能及时发现问题解决问题；（4）实验、学习、进行合闸操作仅仅面对界面友好的触摸板，轻轻点击按钮，远离危险电压。

2 智能实验安全保护监控系统的结构与原理

2.1 系统结构

智能实验安全保护监控系统设计如图1所示。硬件系统主要由试验模块电源单元、保护设备接口、逻辑门电平标准(transistor—tran—sistor logic，TTL)转RS485通信模块、交直流电源模块、触摸屏、电流电压采集与处理单元组成。其中，电流电压信号采集与处理单元主要由电流互感器、电压互感器信号采集、继电器输出模块、STM32F103最小系统等组成。软件系统模块主有单片机数据采集与通信程序、MCGS通信驱动程序、MCGS控制策略和MCGS组态设计组成。其中，保护设备接口接口选用航空多芯插座（根据电源类型可增加）；信号采集电路采用电压互感器、电流互感器、AD/DA转换，处理为单片机可安全识别的信号；单片机负责采集信号的分析处理，并将数据打包传送，同时还要接收上位机发送的指令驱动继电器输出模块开关闭合；TTL转RS485通信模块负责实验安全保护下位机群与触摸屏之间安全可靠的数据传输；继电器输出模块选择是用于控制相应需要使用的实验台电源模块，同时也可以切换不同保护电压电流值用于检测控制导引信号的电路参数是否处于正常实验电压电流范围内；触摸屏在本设计中可视为上位机，负责人机交互与检测逻辑分析及记录。

图1 系统总体设计框图

2.2 系统工作原理

保护监控模式（小于3A电流）连接方式实验安全保护监控下位机工作原理图如图2所示。按照国家标准，在电源接入实验安全保护监控下位机过程中，需要确定工作模式是采用三相三线制还是三相四线制，同时还需要判断三相电源是否完全连接,插口的相序是否正确。在本设计中，为了防止相序的错误连接，在负载模块和实验安全保护监控下，位机之间采用国家标准的航空插头，具有防呆设计，在电源设备和下位机直接增加地线，用于保证设备及用电安全。电流电压采集模块将这些信息通过RS485通讯传送到上位机，上位机的组态界面将直观地显示当前的操作状态与信号参数。与用户当前实验设定开通的实验模块的参数的对比，若符合开通的实验模块范围，通过指令发送继电器闭合指令，单片机接收该指令并驱动继电器模块中的某一继电器开关闭合，负载模块接入电路当中。电流电压采集模块监测到负载电压电流变化，若某时刻电流电压超过用户给定的参数范围，继电器离开断开，负载立即切断电源。图2保护监控模式连接方式的控制导引检测原理图上位机还可以在实验过程中或者实验完成后，通过指令控制选择继电器的状态，选择不同的实验模块进行通电，或者设定某一实验模块通电时间、通电电压、通电电流、通电功率，并实时监控记录，最终可以给出实验时间、实验过程曲线。

图2 保护监控模式连接方式的控制导引检测原理图

3 硬件系统设计

3.1 触摸屏选型

基于组态软件McgsE嵌入式开发的组态工程需要运行于昆仑通态的MCGSTPC系列嵌入式一体化工控机(简称触摸屏）。TPC7062Ti，是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能,其通信接口丰富，有1路RS485、l路 RS232、1路LAN、1路USB。本系统选用RS485接口与下位机通讯、USB导出存储数据。

3.2 实验安全保护监控下位装置设计

单片机采用基于ARM CortexTM—M3内核的低功耗STM32F103单片机。芯片具有丰富的外设，具有1路区域网络控制(controller area network，CAN)、支持12位ADC转换、3个通用同步／异步串行接收／发送器(universalsynchronous asynchronous receiver transmitter，USART)、3路16位带捕获功能的定时器、时钟频率可达72 MHz，完全满足系统需求。连接确认信号主要检测电源端的三相四线电压电流，但是由于是高压电，单片机不能直接读取，所以需要用过电压电流采集模块进行电压电流的变换成较低电压的模拟信号，再由单片机根据采集的AD值的区间决定采集信号的分压比。实现当采集电路在小信号时直接连接运算放大器，大信号时先分压后连接与运算放大器，在整个电压电流值范围内能输出安全可靠的电流电压。

3.3 单片机程序开发

单片机的程序编写采用了模块化设计思想。软件主要由主程序、外设初始化与电压信号采集、电流信号采集、串口通信数据处理等部分组成，系统主流程如图3所示。

图3 系统主流程

电压电流信号采集子程序通过量程的选择，对该量程下的信号进行模数(analog to digital，AD)转换，为获取稳定的AD值进行数字滤波，当前交流电压与交流电流值即可得出。通过定时器及输入捕捉功能即可计算得出通电时间、通电功率、通电电流参数值。为简化计算频率方式，在进行定时器初始化时，时钟配置为1MHz，则一个计数值为10us，配置TIM5为上升沿捕捉方式，将中断开启。中断子函数对相关寄存器进行赋值，并捕捉相邻的两个信号波上升沿，以标记一个周期进行波形参数采集。

3.4 MCGS通信脚本驱动程序开发

设备窗口是MCGS系统与外部硬件设备间的连接纽带，可将外部硬件设备的数据读取至MCGS，进而对外部设备进行控制与监控。在本设计中，由于通信模块的的数据传输采用标准的MODBUS-RTU的通信协议，理论上可以实现一个上位机控制248个下位机的数据采集和执行，并且采用国际通用的MODBUS-RTU可以实现系统开发的可拓展型，因此需使用时需要编写MODBUS-RTU通讯方案。使用如图4所示的MODBUS-RTU通讯方案，将编写的程序通讯方式在MCGS和单片机进行通讯测试，多台下位机同时在一个系统时修改地址即可。

图4

3.5 MCGS功能策略及画面

MCGS采用如图5所示的多线程工作方式，保证运行系统的高效率。智能实验安全保护监控系统启动界面如图6所示，保护监控在系统上电后直接启动运行，所有的继电器恢复默认为断开状态，系统的逻辑判断与控制在MCGS的循环策略中执行的。图7为系统控制界面，在循环策略中不断地将多台下位机传送来的数据进行解析，并与画面中设定状态参数进行比较，按照控制界面的指令发送相应控制命令，实现智能实验安全保护监功能检测，完成对全系统的检测和保护。智能实验安全保护监控系统的界面组态主要有登录界面、监控控制界面、数据查询界面等。控制界面将用户设定的关键保护数据数据、多台下位机等组态到界面里，方便使用人员随时控制及观察实验设备使用电流电压。登录界面界面设计了多用户登录模式，不同的用户可以设置控制不同的下位机或者通电电压电流，修改密码等。查询模式界面主要是当前历史数据的显示。可以用于统计设备使用时间、通电时间，保护跳闸时间、保护跳闸电流电压等。

图5 MCGS多线程工作方式

图6 系统启动界面

图7 系统控制界面

4 结语

本项目的实用性在于，既能保护学员、教员的用电安全，又能通过构建智能电力控制单元让学员和教员得到锻炼，为学员提供更为丰富的教育资源，加强课内理论知识和课外实践活动的呼应，切实提高学员实践能力，既能让教员方便操作又能让实验登记变得高效，既能节约电能又能对实验台用电进行生命周期管理，通过智能用电实验单元学员的实验、学习，对操作能力进行全方位的训练。

本项目基于通用触摸屏、MCU和智能多功能下位机的各种参数进行记录，有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲输出等功能的采集,能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，可广泛应用变电站自动化、配电自动化对智能建筑、企业内部的电能测量、管理、考核。测量精度为0.5级、实现LED现场显示和远程RS-485数字接口通讯，采用MODBUS-RTU通讯协议。使用范围广、成本低，既能独立运行又能成片成网，对整个设备用电情况进行科学记录和判断，能有效降低企业的经济成本，科学省电，为设备科学管理提供依据。