某工廠供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、 學(xué)號： 常 州 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）（2012屆）題 目 某工廠供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 學(xué) 院 專業(yè)班級 校內(nèi)指導(dǎo)教師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 校外指導(dǎo)老師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二一二年六月某工廠供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計摘要：隨著電力網(wǎng)絡(luò)智能化程度的提高，智能企業(yè)變配電的自動化系統(tǒng)提上了議事日程。計算機(jī)技術(shù)在變配電自動化中的應(yīng)用，使得變配電自動化程度大大提高。企業(yè)變配電自動化程度的提高可以提高供配電的可靠性與安全性，方便了企業(yè)工作人員的工作。本文以工廠供配電自動化監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，采用VB技術(shù)、單片機(jī)信號采集技術(shù)，設(shè)計了一個監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求，能夠監(jiān)控工廠供配電網(wǎng)

2、絡(luò)的運(yùn)行情況，實現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)顯示、報警系統(tǒng)等功能。工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計內(nèi)容是：(1) 系統(tǒng)主接線。清晰明了地顯示系統(tǒng)的變壓器、電容器、饋線的一些技術(shù)數(shù)據(jù)。(2) 數(shù)據(jù)顯示。顯示供配電網(wǎng)的斷路器狀態(tài)，用電設(shè)備的狀態(tài)。(3) 報警系統(tǒng)。當(dāng)變配電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生較大變化及主變發(fā)生異常時，產(chǎn)生報警信息，提示用戶。(4) 用戶管理?？梢詫崿F(xiàn)用戶密碼登錄。用戶的權(quán)限受到嚴(yán)格的管理。該監(jiān)控系統(tǒng)直觀、簡便地實現(xiàn)了工廠監(jiān)控系統(tǒng)的自動化管理，滿足了系統(tǒng)安全性、實時性的要求。應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞：VB技術(shù)；信號采集技術(shù)；監(jiān)控系統(tǒng)Design of monitoring system for function

3、of power supply and distribution in factoryAbstract：As the electric power network intelligent degree rise, intelligence enterprise change of power distribution automation system has been put on the agenda. Computer technology in the change of the application of the power distribution automation, mak

4、e change distribution automation degree is greatly increased.The improvement in the level of power automation can improve power supply reliability and security and makes life convenient.This design in the factory for distribution automation control system as the research object, using VB technology

5、and single-chip microcomputer signal collection technology, design of a monitoring system, realize the basic requirements of the monitoring system, can monitor factories for distribution network movement situation, realize user management, data shows, alarm system, and other functions.The main conte

6、nts of the power automatic monitoring system are as follows:(1) The main network system can display some technical data clearly of transformers, capacitors, feeders, and the control cabinets in the system.(2) The automatic monitoring system can display Circuit breaker, Electric equipment state and o

7、ther data of the electricity network.(3) When the electricity network parameters are changed greatly and when thetransformers are abnormal the alarm information is generated to tell the users.(4) In the user management module you are allowed to add users, change your password and permission. The use

8、rs permission is strictly managed.The monitoring system is intuitive and easily automate the management of the plant monitoring system to meet the requirements of the system security, real-time，and has a bright future.Keywords: VB; signal collection technology;monitoring system目 錄摘 要Abstract目錄1 引言11

9、.1 課題的意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12 監(jiān)控系統(tǒng)框架模型32.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體方案32.2 監(jiān)控中心42.3 監(jiān)控子站53 監(jiān)控系統(tǒng)通信方案63.1 監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析63.2 監(jiān)控系統(tǒng)通信方式分類及選擇83.3 監(jiān)控系統(tǒng)信息的采集124 系統(tǒng)的硬件設(shè)計144.1硬件結(jié)構(gòu)144.2下位機(jī)信號采集模塊144.2.1 斷路器狀態(tài)采集144.2.1 STC89C52RC處理器154.2.2 按鍵模塊174.3 通信模塊194.3.1 PL2303芯片的介紹204.3.2 通信接口電路的設(shè)計215 系統(tǒng)的軟件設(shè)計225.1下位機(jī)的軟件設(shè)計225.1.1 下位機(jī)軟件的設(shè)想225.1.2

10、下位機(jī)軟件的流程圖225.2 上位機(jī)的軟件設(shè)計255.2.1 上位機(jī)軟件的設(shè)想255.2.2 上位機(jī)的串口通信255.2.3 上位機(jī)的圖形界面276 結(jié)論與展望316.1 結(jié)論316.2 展望31參考文獻(xiàn)32致謝33附錄A341 引言電力是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，它為現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的日常生活提供必不可少的能量。隨著社會的進(jìn)步，生產(chǎn)和生活對電能的供應(yīng)要求越來越高，供電事故有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此設(shè)計一個工廠供配電運(yùn)行狀態(tài)的計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)對企業(yè)具有重要意義。通過對此次設(shè)計能掌握一些基本的供配電設(shè)計方法和要求以及供配電系統(tǒng)的安全保護(hù)措施，因此還具有很好的鍛煉意義。近幾年，一些地區(qū)發(fā)生

11、電網(wǎng)事故導(dǎo)致重要用戶停電，其主要原因是：電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、可靠性低、自動化程度低以及管理不善1。加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、配電網(wǎng)建設(shè)，強(qiáng)化輸電網(wǎng)是當(dāng)務(wù)之急。因此，對供配電系統(tǒng)設(shè)備的改造和實現(xiàn)供配電自動化成為亟待解決的問題。隨著大型供配電站的發(fā)展，智能工廠的興起，以及工業(yè)自動化水平的提高，智能化供配電系統(tǒng)需求量必將大大增加。從國內(nèi)外產(chǎn)品來看，智能型供配電系統(tǒng)將會向著以下幾個方面發(fā)展：功能更強(qiáng)，可靠性更高，系統(tǒng)更完善。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷完善，監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，以及其他相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能化供配電系統(tǒng)將會向著更智能，更快捷，更人性化的方向發(fā)展。因此，供配電監(jiān)控系統(tǒng)必將走向供配電的綜合自動化：功能上的綜合化、

12、運(yùn)行管理的智能化、結(jié)構(gòu)上的計算機(jī)化、操作監(jiān)視的屏幕化。供配電系統(tǒng)的綜合自動化同智能樓宇系統(tǒng)(BAs)、企業(yè)資源計劃(ERP)融合在一起，達(dá)到良好管理，這已成為一種必然的趨勢和發(fā)展方向2。1.1 課題的意義 提高工廠供配電的經(jīng)濟(jì)性 工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控供配電的運(yùn)行狀態(tài)，及時調(diào)整、優(yōu)化工廠變配電網(wǎng)的運(yùn)行方式，從而降低整個電網(wǎng)上的線損，提高工廠供電的經(jīng)濟(jì)性。 提高工廠供配電的可靠性 如果在工廠供配電中某處出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)可以及時檢測出故障位置，并將故障部分隔離，然后迅速恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。監(jiān)控系統(tǒng)迅速及時的反應(yīng)有 效縮短了工廠的停電時間，提高了工廠供配電的可靠性。 提高了工廠車間使用電

13、壓的質(zhì)量 工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)通過對車間內(nèi)的電網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)控，能夠?qū)囬g電網(wǎng)電壓進(jìn)行有效控制，使得關(guān)鍵區(qū)域的電網(wǎng)電壓維持在期望的范圍內(nèi)，從而提供給車間穩(wěn)定、良好的電壓，提高了車間所使用電壓的質(zhì)量。 降低了工作人員的勞動強(qiáng)度 工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)的采用，有效的降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，并且極大地提高了工廠的管理水平和服務(wù)質(zhì)量。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上個世紀(jì)八十年代開始，西方發(fā)達(dá)國家和亞洲的日韓國家已經(jīng)開始形成了智能化的配電網(wǎng)。這種配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)集成了終端用戶負(fù)荷控制、遠(yuǎn)程抄表、 電容器投切、開閉所自動化及饋線開關(guān)控制等多達(dá)上百種的功能。這種先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)中大量采用了數(shù)字計算機(jī)、通信設(shè)備與遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)

14、備，這極大的有利于實現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備的遠(yuǎn)方操控3。但是，從實際使用情況來看，通信系統(tǒng)均是由多種通信方式和通信技術(shù)組成，來滿足不同通信層次的需求。目前，這些國家花大力氣在研究專家系統(tǒng)和高仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具有優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷分配、充分利用變壓器容量、降低系統(tǒng)有功損耗、管理系統(tǒng)用戶等功能。 隨著配電網(wǎng)自動化程度的提高，與之相配套的智能工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)也迫在眉睫。就在智能化配電網(wǎng)形成的同一個時代，一些知名的公司像西門子、 ABB等都推出了自己的智能開關(guān)柜產(chǎn)品，并在當(dāng)時很流行4。由于新產(chǎn)品的特色和優(yōu)勢，在很多場合已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，如大型的體育館、高檔的辦公大樓、商業(yè)中心等。雖然這些產(chǎn)品的性能

15、較佳，較當(dāng)時的其他產(chǎn)品優(yōu)越，但是價格相對昂貴，在我國大面積的推廣使用，還是相當(dāng)?shù)睦щy。 過去很長的時間內(nèi)，我國配電網(wǎng)一直相對落后，主要表現(xiàn)在以下一些方面，如設(shè)備陳舊落后、供電可靠性低，網(wǎng)絡(luò)混亂、維護(hù)維修工作量大等。上個世紀(jì)九十年代，國內(nèi)才能實現(xiàn)變電所的“四遙”功能，先進(jìn)的配電網(wǎng)自動化的形成是最近幾年來才迅速發(fā)展起來的。我國智能工廠供配電的監(jiān)控系統(tǒng)起步就更晚，目前尚處于初步階段。上個世紀(jì)九十年代，我國的工廠供配電系統(tǒng)仍采用人工的方式，但是在一些由國外設(shè)計的工廠開始使用智能監(jiān)控的供配電系統(tǒng)。在當(dāng)時出臺相關(guān)的文件后，地方政府開始重視智能工廠的建設(shè)。在設(shè)計一些重大的項目時，也逐漸考慮和加入智能化的變配

16、電系統(tǒng)。在國內(nèi)，工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)之前已經(jīng)存在基于工業(yè)計算機(jī)的配電監(jiān)測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠采集到電流、電壓等參數(shù)，開關(guān)狀態(tài)等信息，也可以將多臺工業(yè)計算機(jī)連接形成局域網(wǎng)。但是這種系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性差強(qiáng)人意，也不能夠遠(yuǎn)傳操作。可以說，功能有限，局限性大。可見，開發(fā)一種更高級的工廠供配電監(jiān)控系統(tǒng)是一種現(xiàn)實需要。隨著這幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和監(jiān)控范圍的擴(kuò)大，我國配電監(jiān)控系統(tǒng)由過去的單機(jī)監(jiān)控過渡到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控己成為必然，這樣監(jiān)控的地域?qū)某鞘械囊惶帞U(kuò)展到多處，從一個城市擴(kuò)展到多個城市。通過此系統(tǒng)，使管理人員能夠監(jiān)管更多的設(shè)備，監(jiān)視的范圍更寬、監(jiān)視點更多。從而提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。但是，同世界先進(jìn)水平相

17、比還有較大差距，諸多地方需要改進(jìn)與完善。所以，我國供配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在吸取國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上正朝著一體化、集成化、開放化的方向發(fā)展5。 2 監(jiān)控系統(tǒng)框架模型早期的控制系統(tǒng)主要是對工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場進(jìn)行的監(jiān)控。由于當(dāng)時技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模的限制，只能是在工作現(xiàn)場安裝具有簡單監(jiān)控功能的基地式儀表。儀表信號僅在儀表內(nèi)起作用，各測控點處于封閉狀態(tài)，無法相互溝通信息，需要操作人員通過對現(xiàn)場的巡視了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。然而隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測，需要獲得更多的運(yùn)行參數(shù)和信息，測控點的位置也具有分散分布的趨勢。上述的簡單控制系統(tǒng)變得無法滿足實際的控制需求。為了應(yīng)對被監(jiān)控系統(tǒng)的這種變化趨勢，或者處理監(jiān)控現(xiàn)場

18、位于危險環(huán)境和難以到達(dá)的區(qū)域的情況，人們發(fā)明了電動、氣動系列的單元組合式儀表，并設(shè)計了集中控制室。統(tǒng)一的模擬信號，比如電流、電壓或氣壓信號被送往集中控制室，然后在控制盤上連接起來。采用這種技術(shù)可以按實際需要組合出復(fù)雜的控制系統(tǒng)。然而，模擬信號需要一對一的物理連接，而且容易受到干擾。依靠模擬信號的傳遞難以滿足在速度和精度方面的控制要求，于是數(shù)字信號取代了模擬信號的位置。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制系統(tǒng)也由集中式控制系統(tǒng)發(fā)展到集散式控制系統(tǒng)，再發(fā)展到分散分布的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，并繼續(xù)發(fā)展至今6。 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，就是本地計算機(jī)借助各種網(wǎng)絡(luò)途徑，由現(xiàn)場結(jié)點將選定觀測的數(shù)據(jù)傳輸至主控

19、中心；通過分析和處理這些數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存檔，推測出工作現(xiàn)場當(dāng)前的狀態(tài)，并根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)對工作現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)視與控制實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的計算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)稱為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。由于能夠勝任對于惡劣現(xiàn)場環(huán)境中的現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，或?qū)Ψ稚⒌默F(xiàn)場結(jié)點實現(xiàn)無人監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)取得了廣泛的應(yīng)用。2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體方案監(jiān)控系統(tǒng)分為3層，即監(jiān)控中心層、監(jiān)控子站層和監(jiān)控設(shè)備層。監(jiān)控中心處于整個監(jiān)控系統(tǒng)的最高層，負(fù)責(zé)顯示圖形、數(shù)據(jù)、管理設(shè)備，打印報表等，并且能夠遠(yuǎn)程調(diào)控可控設(shè)備，完成對下屬變電站的管理及與其他系統(tǒng)的信息交互功能。監(jiān)控子站是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中間管理層，負(fù)責(zé)管理開關(guān)及終端監(jiān)控設(shè)備，起到了數(shù)據(jù)

20、集中器的功能。同事能夠?qū)⒏鞣N現(xiàn)場信息上傳給監(jiān)控中心，并接收監(jiān)控中心的指令，下達(dá)給配電終端完成相應(yīng)的動作。監(jiān)控子站還能夠診斷所轄區(qū)域故障并在故障發(fā)生后將故障區(qū)域與非故障區(qū)域隔離。監(jiān)控設(shè)備層是第3層，位于設(shè)備現(xiàn)場，主要完成線路數(shù)字量與模擬量的采集，線路實時數(shù)據(jù)的顯示，線路歷史數(shù)據(jù)的記錄與存儲，并提供故障報警功能，過流、過載等多種保護(hù)功能，時鐘功能及通訊功能等。圖2.1顯示了監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架。圖2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體框架2.2 監(jiān)控中心監(jiān)控中心是整個變配電監(jiān)控系統(tǒng)信息處理的核心，采用雙主機(jī)熱備用和雙以太網(wǎng)冗余的結(jié)構(gòu)。中心站快速收發(fā)和處理數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)及時寫入數(shù)據(jù)庫，用于保存。中心站中的工作站和服務(wù)

21、器可以共享同一個數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控中心通過優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)，集中、管理、分析、處理數(shù)據(jù)，提高了電網(wǎng)供電的可靠性與電能質(zhì)量，提高了管理水平，減少了損失。圖2.2顯示了監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)。圖2.2 配電調(diào)度中心站的網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)站中主要部分功能如下：(1) 應(yīng)用服務(wù)器：終端用戶與數(shù)據(jù)庫聯(lián)系的中間件，其能夠更好的控制監(jiān)控系統(tǒng)中心的數(shù)據(jù)流及為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的通信提供安全保障。(2) 數(shù)據(jù)服務(wù)器：存放由監(jiān)控子站上傳的所有數(shù)據(jù)及控制指令，為用戶應(yīng)用程序的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)訪問。(3) WEB服務(wù)器：主要功能是提供實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及實時歷史曲線的網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)。(4) 監(jiān)控工作站：顯示監(jiān)控系統(tǒng)中各個組成部分的運(yùn)行情況，實際

22、上是一種用于實時監(jiān)控的人機(jī)界面。(5) 工程師站：可以操作數(shù)據(jù)庫，組態(tài)各個控制環(huán)節(jié)，維護(hù)系統(tǒng)服務(wù)。(6) 前置通信系統(tǒng)：包括前置主機(jī)，備前置主機(jī)，前置通訊柜。前置通訊柜起到變配電房與監(jiān)控中心的橋梁作用，為下傳指令和上傳數(shù)據(jù)的匯集點。前置主機(jī)為數(shù)據(jù)庫提供實時的數(shù)據(jù)。備前置主機(jī)與前置主機(jī)完成熱備雙主機(jī)功能。監(jiān)控中心為管理工廠配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息提供了一個便利的平臺。正常情況下，監(jiān)控中心站能夠完成配電SCADA功能，主要是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)傳控制等功能。圖形維護(hù)可以完成主干電網(wǎng)圖，變電站接線圖等資料的管理。繼電保護(hù)的數(shù)據(jù)位專業(yè)人員進(jìn)行繼電保護(hù)的計算提供一個依據(jù)。當(dāng)發(fā)生故障時，監(jiān)控中心能夠完

23、成故障診斷與故障記錄，并提供報警信號，分?jǐn)喙收蠀^(qū)域。所有數(shù)據(jù)都會存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢、分析使用。2.3 監(jiān)控子站監(jiān)控子站聯(lián)系監(jiān)控中心與終端設(shè)備，因而子站系統(tǒng)的功能和性能不僅要滿足要求，而且穩(wěn)定性和可靠性也要足夠的高。此外，子站在使用中會不斷的介入各種終端設(shè)備，因而要求子站還有強(qiáng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性。監(jiān)控子站的響應(yīng)時間、最大配置數(shù)(遙控、遙測、遙信)、信道數(shù)目都有嚴(yán)格要求，從而保證監(jiān)控系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。監(jiān)控子站的功能有二：一是監(jiān)控子站所接配電終端、變電站、開閉所的數(shù)量從幾十到上百不等，需要處理的信息量、數(shù)據(jù)量達(dá)到成千上百，這些信息能夠在秒級內(nèi)進(jìn)行處理，并且上傳到監(jiān)控中心，同時轉(zhuǎn)發(fā)中心主站的命

24、令到各個終端；二是完成所轄區(qū)域的故障定位，并且及時的處理故障。3 監(jiān)控系統(tǒng)通信方案介紹3.1 監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)討論網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接形式，已經(jīng)拋開了通信網(wǎng)絡(luò)的物理連接。在通信網(wǎng)絡(luò)中，各個子站點相互連接的方法和形式稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線型結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)等。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指各網(wǎng)絡(luò)中的工作站的連接形式像星型一樣，全網(wǎng)有一個中心節(jié)點，其他節(jié)點與中心節(jié)點相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。因而中心節(jié)點的信息處理負(fù)擔(dān)很重，其它節(jié)點的信息處理負(fù)擔(dān)較輕。可以說，這也是一種集中式網(wǎng)絡(luò)6。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一些優(yōu)缺點，現(xiàn)在分析如下，主要優(yōu)點是：1.控制形式較其它方式簡單。

25、2.診斷故障容易及隔離故障容易。單個連接點的故障只會影響到一個單獨的設(shè)備，不會牽連全網(wǎng)。3.中央節(jié)點可以輕松、方便地對其他站點提供服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)重新配置。4.通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸延遲時間較小，傳輸過程誤差較低。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點是：1.一次性投入成本高，安裝、維護(hù)的工作量大。2.中央節(jié)點信息處理負(fù)擔(dān)過重，一旦中央節(jié)點出現(xiàn)問題，全網(wǎng)的通訊都會受到影響，因而系統(tǒng)的可靠性較低。3.各個站點的資源共享能力較低。圖3.1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點的首尾相連，形成一個數(shù)據(jù)流沿著一個方向傳輸?shù)拈]合的環(huán)。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點：數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)環(huán)中沿固定方向流動，所有節(jié)點間只有一條傳輸通道，控

26、制路徑選擇容易；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)中節(jié)點數(shù)量過大時，數(shù)據(jù)流在串行傳送的過程中，傳輸速率就會下降，導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)的響應(yīng)時間增長；環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是一個封閉著的網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)充時困難較大；子節(jié)點發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡(luò)就會出現(xiàn)癱瘓，使得系統(tǒng)的可靠性降低。圖3.2 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖通信網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各子站和所有服務(wù)器都掛接在一條預(yù)先設(shè)置的總線上，總線上各個設(shè)備的地位相等，無中心節(jié)點，數(shù)據(jù)流從掛接設(shè)備上傳送到總線上。總線上的每個設(shè)備都有相應(yīng)的地址，系統(tǒng)通過總線傳送數(shù)據(jù)時，先傳送地址，找到相關(guān)設(shè)備，再傳送數(shù)據(jù)?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，再擴(kuò)充設(shè)備與擴(kuò)充總線容易；一次投入少，安裝方便；系統(tǒng)可靠性高。缺點是掛接設(shè)備出現(xiàn)

27、故障時，難于查找。圖3.3 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖通信系統(tǒng)分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)⑾喔糨^遠(yuǎn)的、不同地點的通信設(shè)備相連接起來。這種通信網(wǎng)絡(luò)形式采用的是分散局部控制，當(dāng)某個子路發(fā)生故障時，不會影響到全網(wǎng)的運(yùn)行，所以可靠性高；網(wǎng)中的子節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時選擇最短路徑，傳輸時間短，速率快。缺點是一次性投入高，相應(yīng)的管理軟件復(fù)雜。圖3.4 分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖此外，還有一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如樹型、網(wǎng)狀、蜂窩狀等，但在此類系統(tǒng)中所用不多，不再詳細(xì)說明。3.2 監(jiān)控系統(tǒng)通信方式分類及選擇1RS-422A，RS-485RS-422A標(biāo)準(zhǔn)是一種兩端發(fā)送和兩端接收的平衡傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。RS-422A標(biāo)準(zhǔn)采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接

28、收器。當(dāng)線電壓差低于200mV時就表示邏輯1，當(dāng)線電壓差高于200mV時表示邏輯0。RS-422A標(biāo)準(zhǔn)的電路一般由驅(qū)動器，平衡電纜，終端負(fù)載及接收器組成。發(fā)送數(shù)據(jù)時，由平衡驅(qū)動器將電平轉(zhuǎn)換成電位差，完成信息發(fā)送；接收器又能夠?qū)㈦娢徊钸€原成邏輯電平，實現(xiàn)信息接收。該標(biāo)準(zhǔn)采用雙線傳輸，因而抗共模干擾的能力強(qiáng)，最大傳輸速率可以達(dá)到10Mb/s，傳輸速率較小時，最大傳輸距離可以達(dá)到1200M。RS-485標(biāo)準(zhǔn)與RS-422A標(biāo)準(zhǔn)兼容，且擴(kuò)展了RS-422A標(biāo)準(zhǔn)的功能。RS-485標(biāo)準(zhǔn)不再像RS-422A標(biāo)準(zhǔn)一樣只有一個發(fā)送器，而是可以擁有多個發(fā)送器，而且允許一個發(fā)送器去驅(qū)動多個設(shè)備，這些設(shè)備可以是發(fā)送

29、器，也可以是接收器，還可以是收發(fā)器的組合。這些設(shè)備可以掛接在平衡傳輸線上的任意位置。RS-485標(biāo)準(zhǔn)的特點是：抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率快，同時傳輸距離較遠(yuǎn)，在平衡電纜上可以掛接多個負(fù)載設(shè)備來實現(xiàn)多點之間的通信。在較小的范圍內(nèi)，終端設(shè)備大多采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)與保護(hù)微機(jī)相連，從而實現(xiàn)微機(jī)保護(hù)與自動化裝置間的通信和數(shù)據(jù)交互，提高了數(shù)據(jù)采集與傳輸效率，避免了大量的接線，使監(jiān)控系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)。2現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是上個世紀(jì)八十年代中后期隨著通信、計算機(jī)、模塊化集成和控制等技術(shù)的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)的一門新興的技術(shù)，代表著工業(yè)自動化領(lǐng)域的最新階段與最新成果。目前世界上現(xiàn)場總線的數(shù)量達(dá)到40多種。IEC對現(xiàn)場總

30、線一詞的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙串行、多節(jié)點的數(shù)字通信的技術(shù)。現(xiàn)場總線是一種可進(jìn)行全方位非模擬、雙向進(jìn)行、多子站總線式的數(shù)字通信、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)共享，用于智能化的現(xiàn)場設(shè)備與自動化控制系統(tǒng)之間的一個標(biāo)準(zhǔn)化的全數(shù)字式通信鏈路?，F(xiàn)場總線完成的主要工作是控制、發(fā)出報警和報告事件等?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議有最基本的要求，即響應(yīng)速度要快，操作的可預(yù)測性要最優(yōu)化?，F(xiàn)場總線是一個較低層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在現(xiàn)場總線之上還允許有較高級的監(jiān)控與管理網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)場總線的應(yīng)用，智能現(xiàn)場儀表擁有了一個開放的平臺，智能儀表得到廣泛的使用。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是繼DCS后的又

31、一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS具有的優(yōu)勢：(1) 開放性一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或者系統(tǒng)相連，用戶具有了系統(tǒng)集成的權(quán)利，可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。(2) 互可操作性與互用性互可操作性是指實現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信?；ビ眯詣t意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實現(xiàn)互用。(3) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅僅依靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性由于現(xiàn)場設(shè)備本身

32、已經(jīng)可以完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已經(jīng)構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。這從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。(5) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專門為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全防爆要求等。現(xiàn)場的以上特點使得控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行以及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性，如下：節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，節(jié)約了維護(hù)開銷，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)，提高了系

33、統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。現(xiàn)場總線技術(shù)也有一些局限性，如通信能力不足，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開放性差等。目前，國際上典型的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有：基金會現(xiàn)場總線FF，PROFIBUS，CAN，DeviceNet，LonWorks，ControlNet等。3以太網(wǎng)能安全、正常用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)，但是按照國際電工委員會的定義可以分為工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)IE是用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制(MAC)網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對其沒有進(jìn)行任何實時擴(kuò)展而實現(xiàn)的以太網(wǎng)。實時以太網(wǎng) RTE 是指不改變I

34、SO/IEC8802-3的通信特征、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組件或IEC1588的總體行為，但可以在一定程度上進(jìn)行修改，使之滿足實時行為(實時性即確定性通信、現(xiàn)場設(shè)備之間的時間同步行為，充分、頻繁的長度較短的數(shù)據(jù)交換)，常采用實時應(yīng)用層協(xié)議、優(yōu)化處理數(shù)據(jù)傳送和提供旁路實時通道、集中調(diào)度等技術(shù)實現(xiàn)實時性要求。在使用中，均不對這兩者嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)具有廣泛的優(yōu)點：(1) 應(yīng)用廣泛。幾乎所有的編程語言(如 Java，Visual C+及Visual Basic等)都支持Ethernet的應(yīng)用開發(fā)。(2) 成本低廉。(3) 通信速率高。100M/s的快速以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛使用，1000M/s的以太網(wǎng)

35、技術(shù)也逐漸成熟。(4) 軟硬件資源豐富。(5) 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｒ蕴W(wǎng)的廣泛使用使得它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引了大量的技術(shù)投入。(6) 易于與Internet連接。能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。由于以太網(wǎng)的各種優(yōu)勢，目前它在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中，同時在變配電網(wǎng)的資源管理層、執(zhí)行層等得到了廣泛的應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。在變配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控中心層采用工業(yè)以太網(wǎng)是很好的選擇。工業(yè)以太網(wǎng)是未來自動化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。4比較選擇合適的通信方式表3.1中列出了各種通信方式的特點，經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn)不同通信方式各有優(yōu)缺點。在不同的技術(shù)參數(shù)和環(huán)境要

36、求下，可以采用上述不同的通信方式。表3.1 各種通信方式比較通信方式RS-422RS-485現(xiàn)場總線以太網(wǎng)最大驅(qū)動器數(shù)目/接收器數(shù)目(個)1/1032/321101024電纜長度(M)1200(90KBPS)1200(100KBPS)5000100-500最大速率(MBPS)1010110-100監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的國際標(biāo)準(zhǔn)要求：終端設(shè)備層、監(jiān)控子站相互間為1-100mS；監(jiān)控子站與變電站之間10-1000mS；變電站、監(jiān)控中心相互間為大于等于1000mS。在一些中小型變電網(wǎng)絡(luò)中，串口通信RS-422A/RS-485也都能夠滿足要求，但是這種總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目有限，在擴(kuò)展時及多種冗余中達(dá)不

37、到要求?，F(xiàn)場總線是一種可以在設(shè)備間實行雙串行、多節(jié)點的數(shù)字通信的技術(shù)，可以全網(wǎng)廣播式的傳送數(shù)據(jù)。因而在中型的變電網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用，實際中使用較多的是CAN網(wǎng)和Lonworks網(wǎng)。在220KV以上的變電站中，數(shù)據(jù)量更加龐大，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信有更高的要求，總線網(wǎng)絡(luò)顯然不能夠滿足上述要求，所以采用以太網(wǎng)是一個理想的選擇。3.3 監(jiān)控系統(tǒng)信息的采集當(dāng)前的中小企業(yè)基本上均己建立了可能不同結(jié)構(gòu)不同層次的局域網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)，中央站與工作站為服務(wù)器/客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)及相應(yīng)的通訊接口實現(xiàn)中央站、工作站，及第三方設(shè)備、相關(guān)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，資源共享和綜合管理

38、功能。它綜合運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感及控制等技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)視與控制，將從現(xiàn)場采集的開關(guān)信號以及多種傳感器信號通過局域網(wǎng)傳遞到現(xiàn)場監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行處理，并將信息發(fā)布，以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視，并為設(shè)備的遠(yuǎn)程控制提供信息基礎(chǔ)。建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時首先要面對的技術(shù)難題是：制造現(xiàn)場各種設(shè)備以何種方式接入局域網(wǎng)，以何種方式與中央服務(wù)器進(jìn)行通信。因此首先必須建立起一個標(biāo)準(zhǔn)化、即插即用、可擴(kuò)展、實時的車間設(shè)備局域網(wǎng)，構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集和遠(yuǎn)程控制平臺，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。按照監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)需求，可以將監(jiān)控始端設(shè)備及生產(chǎn)線按大類劃分三個方面。(1) 基于Internet的設(shè)備由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的

39、廣泛應(yīng)用，近年來所應(yīng)用的設(shè)備許多是基于Internet而開發(fā)設(shè)計的設(shè)備，指具有獨立IP地址的設(shè)備。基于Internet的設(shè)備均已IP化，可以直接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)，監(jiān)控中央服務(wù)器只需通過訪問設(shè)備對應(yīng)的IP地址即可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。(2) 基于PC的設(shè)備這些設(shè)備具有獨立的通信接口如RS-232-C串行接口或其它串/并行接口， 可以直接與PC機(jī)相連進(jìn)行通信?？梢酝ㄟ^給基于PC的設(shè)備配備相應(yīng)的上位機(jī)，這樣基于PC的設(shè)備可直接通過其通信接口與現(xiàn)場局域網(wǎng)內(nèi)的某臺PC機(jī)相連，再通過PC機(jī)與中央服務(wù)器建立通信；(3)無法直接實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備然而由于中小企業(yè)的資源能力不同，其應(yīng)用設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)時代不同，也有許

40、多企業(yè)仍然使用著無法實現(xiàn)直接聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，指不具備(1)(2)條件的其它設(shè)備。對于這些無法實現(xiàn)直接聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備，可以通過設(shè)計單片機(jī)采集模塊接口電路和單片機(jī)控制模塊接口電路，構(gòu)成設(shè)備的數(shù)據(jù)采集接口、控制接口以及通信接口，由單片機(jī)模塊通過RS-232-C或RS-485串行接口與上位機(jī)(PC機(jī)或串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器)連接，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。圖3.5 監(jiān)控系統(tǒng)信息采集結(jié)構(gòu)圖從圖3.5可知，通過信息采集和遠(yuǎn)程控制平臺，中央服務(wù)器可對現(xiàn)場生產(chǎn)信息、設(shè)備和設(shè)備的環(huán)境圖像信息進(jìn)行有效集成，在Internet發(fā)布?？蛻舳送ㄟ^瀏覽器和相應(yīng)的權(quán)限就可以訪問遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)線進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、檢測和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)信息采

41、集和遠(yuǎn)程控制平臺中，基于Internet的設(shè)備和可直接配備上位機(jī)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的基于PC的設(shè)備沒有太多的改造工作，基本上就可直接實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，從而接入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。對于無法實現(xiàn)直接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，利用單片機(jī)模塊構(gòu)成設(shè)備采集接口、控制接口、通信接口。它通過配備相應(yīng)的上位機(jī)，開發(fā)和集成具備TCP/IP協(xié)議的設(shè)備單元，從而建立可“即插即用”的車間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，使整個系統(tǒng)以企業(yè)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)框架。單片機(jī)模塊的方式僅與車間現(xiàn)場設(shè)備外部輸入輸出接口相關(guān)，不涉及對車間現(xiàn)場設(shè)備的內(nèi)部線路和程序的修改，不影響車間現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不打斷車間現(xiàn)場生產(chǎn)線的流水作業(yè)，即插即用、開發(fā)簡單、操作靈活、擴(kuò)展性好，滿足系統(tǒng)整體框架體系要求。單片

42、機(jī)采集和控制模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。圖3. 6 單片機(jī)采集和控制模塊結(jié)構(gòu)圖圖3.6中，單片機(jī)在RS-232C或RS-485串行通信方式下，通過上位機(jī)接收中央監(jiān)控服務(wù)器網(wǎng)上發(fā)布的指令，或輸出模擬開關(guān)量實現(xiàn)對設(shè)備控制單元等執(zhí)行器的遠(yuǎn)程控制；或采集設(shè)備和傳感器傳來的模擬量和數(shù)字量，通過上位機(jī)發(fā)送到中央監(jiān)控服務(wù)器，實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集。單片機(jī)和PC機(jī)間采用RS-232C串行通信時，因為單片機(jī)采用TTL電平，而RS-232接口的電氣特性為負(fù)邏輯電平，即：邏輯“1”對應(yīng)-5-15V，邏輯“0”對應(yīng)+5+15V，故需要用專用RS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片(如MAX232)實現(xiàn)TTL電平和RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平之間

43、的轉(zhuǎn)換。但RS-232C串行通信的傳輸距離和速率比較有限，其傳輸距離實際上最多只能達(dá)50米左右，而全雙工異步傳輸速率最大值只能達(dá)20Kbps，故在需要提高傳輸距離和速率的情況下可選用485收發(fā)器(如MAX485)采用RS-485串行通信方式進(jìn)行通信。RS-485接口電平與TTL電平兼容，并且傳輸時采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbps。對無法實現(xiàn)直接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，采用RS-485通信方式，利用RS-485串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器作為上位機(jī)的信息采集和遠(yuǎn)程控制平臺的總體結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示，其中RS-485串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器可將單片機(jī)模塊轉(zhuǎn)換成具備TCP/IP協(xié)

44、議的設(shè)備單元，實現(xiàn)“立即”聯(lián)網(wǎng)。圖3.7 無法直接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信號采集結(jié)構(gòu)圖4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計根據(jù)上面兩章對實際當(dāng)中遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的具體介紹，對于自行設(shè)計的工廠供配電的設(shè)計過程有了一定的了解。本章對設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)下位機(jī)的功能是由硬件電路配合軟件來共同實現(xiàn)的，本設(shè)計的硬件主要單片機(jī)信號采集部分、通訊模塊等組成。下面就對本系統(tǒng)下位機(jī)硬件模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。4.1 硬件結(jié)構(gòu)本監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成部件有：PC上位機(jī)、PL2303 USB轉(zhuǎn)TTL串口通信模塊、單片機(jī)信號采集模塊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2 下位機(jī)信號采集模塊 斷路器狀態(tài)采集在實際

45、的斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，斷路器的狀態(tài)采集應(yīng)選擇合理的以及先進(jìn)傳感器，盲目采用過多的傳感器既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟(jì)，所以特征的提取是斷路器狀態(tài)監(jiān)測的首要環(huán)節(jié)。1. 分合閘線圈電流波形分合閘線圈電流是表征斷路器操作機(jī)構(gòu)動作性能的關(guān)鍵特征，電流波形中蘊(yùn)含豐富的信息。圖4.2所示的是一個典型的斷路器開斷短路電流的跳閘回路電流，T0為分合命令到達(dá)時刻，T1為鐵芯開始運(yùn)行時刻，T2代表鐵芯觸動操作機(jī)構(gòu)的負(fù)載后減速或停止運(yùn)行的時刻，T3可視作開關(guān)輔助a接點斷開線圈電路時刻。圖4.2 分合閘線圈電流波形2. 斷路器開斷過程的時間行程特性曲線斷路器的時間行程特性曲線中蘊(yùn)含多種信息，包括分合閘時間、同期性、速度以及行程信

46、號等。這些信號與斷路器的滅弧室性能、燃弧時間以及弧后介質(zhì)的恢復(fù)、合分閘彈簧的性能等相關(guān)。3. 斷路器動作時的振動波形斷路器在操作時，對應(yīng)機(jī)構(gòu)中的每一部件的動作在振動信號時間圖上都會有一個振動脈沖，對于不同的操作，各部件的振動脈沖出現(xiàn)的順序是不變的，振動波形具有良好的重復(fù)性，因此用振動信號分析斷路器的動作特性是有效的，振動分析法對于斷路器機(jī)構(gòu)的變形、潤滑故障診斷靈敏度高，也是機(jī)構(gòu)和滅弧室磨損、部件故障、裝配失誤等的特征表象。綜上所述，斷路器工作狀態(tài)的檢測可采用電流、行程、振動三種類型的傳感器實現(xiàn)。為了不影響斷路器的正常工作，盡量采用非接觸檢測方法，傳感器在斷路器體外安裝，且無可調(diào)整部件，不需現(xiàn)場

47、整定，受環(huán)境因素的影響小。斷路器的監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)對高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)、動作過程的實時監(jiān)測。采用傳感器體外安裝方式，無需更改運(yùn)行中斷路器的機(jī)械部件及控制系統(tǒng)接線，對斷路器的運(yùn)行無影響，安全可靠，能夠有效地提高對斷路器的監(jiān)測和管理水平。斷路器的監(jiān)測系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示，系統(tǒng)包括上位機(jī)、通信系統(tǒng)、監(jiān)測裝置三部分。監(jiān)測裝置又稱下位機(jī)，由單片微機(jī)系統(tǒng)組成，安裝在各個監(jiān)測斷路器處，完成斷路器各電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。并通過通訊系統(tǒng)總線，按照特定的通信規(guī)約將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)主要完成與下位機(jī)的通訊、數(shù)據(jù)的分析處理、運(yùn)行參數(shù)波形曲線

48、的顯示、下位機(jī)的監(jiān)視等功能。圖4.3 斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2.2 STC89C52RC處理器本設(shè)計采用STC 89C52RC處理器。STC 89C52RC系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，基于Intel標(biāo)準(zhǔn)的8052，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇7。 圖4.4 STC89C52RC單片機(jī)引腳圖下面列出了其一些主要的特性：1. 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512. 工作電壓：5.5V - 3.3V(5V單片機(jī))/3.8V2.0V(3V單片機(jī))3. 工作

49、頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz，實際工作頻率可達(dá)48MHz 4. 用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5.片上集成512字節(jié)RAM6.通用I/O口(32個)復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 7.ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.有EEPROM功能9.具有看門狗功能10. 共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器 T0、T1、T211. 外部

50、中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 12. 通用異步串行口(UART)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART 13. 工作溫度范圍：-40+85(工業(yè)級)/075(商業(yè)級)14. 掉電模式：典型功耗0.1A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序 15. 空閑模式：典型功耗2mA，可由任何中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序16. 正常工作模式：典型功耗4mA7mA4.2.3 按鍵模塊本設(shè)計是對變配電監(jiān)控系統(tǒng)的一個模擬的設(shè)計，由于條件和器材的限制，不能采用在線監(jiān)測斷路器的分合閘狀態(tài)，只能用按鍵模塊充當(dāng)了下位機(jī)信號采集，通過按鍵按下

51、與否來表示斷路器的分合閘狀態(tài)。1. 鍵輸入的基本電路按鍵將機(jī)械觸點上的通與斷轉(zhuǎn)換成電平上的邏輯關(guān)系。如圖4.5中單一的按鍵一端接地，另一端通過上拉電阻接在某個I/O口線上(如P1.0)。在鍵輸入電路中，通常按鍵輸入都采用低電平有效，在按鍵按下時I/O口線輸入低電平。上拉電阻保證了在按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平8。圖4.5 鍵輸入的基本電路圖2. 獨立式按鍵接口電路獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路，每個按鍵單獨占用1根I/O線。程序編碼簡單。但由于每個按鍵必須單獨占用1根I/O口線，在按鍵較多時I/O口線浪費(fèi)較大。如果系統(tǒng)中按鍵比較少，就可以采用獨立式的按鍵接口電路。如圖4.

52、6就是一個通過P1口連接8個獨立按鍵的例子。圖4.6 獨立式鍵盤接口電路圖3. 按鍵的消抖機(jī)械式按鍵在閉合或斷開瞬間，受機(jī)械彈性的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機(jī)械抖動，然后才穩(wěn)定下來，這是不可避免的。這樣就會造成輸出電壓的不穩(wěn)定，其抖動波形如圖4.7所示。圖4.7 鍵閉合及斷開時的電壓抖動圖抖動時間一般為510ms，其中，t1期間為前沿抖動，t2期間為穩(wěn)定期，t3期間是后沿抖動。10ms左右的抖動對于人來說是感覺不到的，但計算機(jī)處理的速度是在s級，ms級的機(jī)械抖動對計算機(jī)而言是一個很漫長的時間。如果在觸點抖動期間監(jiān)測按鍵的通斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯，也可能將按鍵的一次動作錯誤的認(rèn)為是多次操作

53、。為了克服抖動所導(dǎo)致的檢測誤判，應(yīng)確保CPU對鍵的一次按下只作一次響應(yīng)，就必須考慮消除抖動，在鍵閉合或釋放的穩(wěn)定期間讀鍵的狀態(tài)。這一點可以從硬件和軟件兩方面來考慮。當(dāng)按鍵數(shù)量較少時，可以才用硬件消抖。如果按鍵數(shù)量較多，可以采用軟件消抖。此處，由于我們用到較多的按鍵，所以采用軟件消抖9。軟件消抖的思路是：在按鍵處于抖動期時，CPU不對按鍵進(jìn)行處理，只有當(dāng)確定按鍵處于穩(wěn)定期了，再去進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體做法是，在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右的延時程序，延時10ms可以確定抖動期已經(jīng)過去而進(jìn)入穩(wěn)定期，此時再判斷I/O口線的電平。延時去抖程序如下： if(!key1) delay_1ms(1

54、0); 給一個10ms的延時； if(!key1) flag0=(flag0+1)%2;if(flag0=1)Send_data(1); /打開相應(yīng)keyelseSend_data(23); /0x01+22while(!key1); 4.3 通信模塊本系統(tǒng)中的通信是指PC機(jī)與單片機(jī)間的點對點通信。PC機(jī)與單片機(jī)之間通常采用2種通信方式：并行通信和串行通信,并行通信是指將待發(fā)送數(shù)據(jù)的各位同時傳送,串行通信則將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。并行通信傳輸效率高,然后硬件設(shè)備復(fù)雜,不適合長距離傳輸,所以一般只用于短距離實時性高的系統(tǒng),適用面比較窄。相比之下串行通信線路簡單,傳輸距離長,廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)

55、中。系統(tǒng)考慮PC機(jī)與單片機(jī)間的通信距離，也采用了串行通信方式。在數(shù)據(jù)通信,經(jīng)常需要使用串行通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。目前,有RS232,RS485,RS422幾種接口標(biāo)準(zhǔn)用于串行通信。串口標(biāo)準(zhǔn)是種在低速率串行通訊種增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS232采取不平衡傳輸方式,即單端通訊。其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號都是相對于地信號的，所以其共模抑制能力差,再加上雙絞線的分布電容,其傳輸距離最大約為15米,最高速率為20Kbps,且其只能支持點對點通信。隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展,針對接口標(biāo)準(zhǔn)的通信距離短,波特率比較低的狀況,迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信來克服這些缺陷。在RS422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,EIA研究出了一種支持

56、多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信,發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出,經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,所以有極強(qiáng)的抗共模干擾能力?？偩€收發(fā)器靈敏度很高,可以檢測到低至200mV電壓，故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)的。RS458最大的通訊距離約為1200米,最大傳輸速率為10Kbps,傳輸速率與傳輸距離成反比,在100Kbps的傳輸速率下,才可以達(dá)到最大的通信距離,如果需傳輸更長的距離,需要加485中繼器。485采用半雙工工作方式,只能有一方發(fā)送,一方接收,支持多點數(shù)據(jù)通信。RS485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來,不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。如果需要使用星型結(jié)構(gòu),就必須使用485中繼器或者485集線器才可以。RS485總線一般最大支持32個節(jié)點,如果使用特制的485芯片,可以達(dá)到64個或者128個節(jié)點。本系統(tǒng)中從單片機(jī)采集到的信息需要傳入PC機(jī)內(nèi),單片機(jī)與PC機(jī)的串口實現(xiàn)通信。利用單片機(jī)的串行口與PC機(jī)的串行口進(jìn)行