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更新時間：2021-08-11
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徐秋霞
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了更好地保障學生宿舍用電安全，減少用電事故的發生，利用工控技術，把PLC、觸摸屏和電參數采集模塊通過通信協議組合在一起，搭建了安全用電系統。該系統對學生宿舍的用電狀況、惡性發熱電器等進行監控和管理，能夠及時發現并處理過載、短路及惡性負載接入等異常情況，并具備用電量計量功能。
關鍵詞:安全用電；PLC；觸摸屏；惡性負載
0引言
空調、洗衣機、電熱水器等大功率用電器的使用，給我們的生產、生活帶來了極大的便利，但使用這些設備會存在大電流、發熱等問題，特別是電吹風、熱得快、電飯鍋等發熱設備，使用不當很容易造成安全事故。對于人員較為集中的學生宿舍來說，安全用電尤為重要。雖然各個學校都有相關規章制度禁止在宿舍內使用大功率、發熱量大的用電器，但屢禁不止，用電安全事故時有發生。安全重于泰山，我們不僅僅要做好學生的用電安全教育，還要有監督、發現、處理安全用電隱患的能力，把隱患消滅在萌芽狀態。本裝置就是為了保障學生宿舍用電安全而研發設計的。
1 硬件系統設計
學生宿舍用電設備主要為電飯鍋、熱得快、電磁爐、電吹風等一些電熱器具，這些電器使用不當很容易引起安全事故，引發火災，后果不堪設想。安全用電保障裝置的設計要求為:能識別大功率電器，比如800W 以上的用電器禁止使用；能夠識別小功率的電熱設備；能夠準確報警切斷故障電源；能夠實時顯示各路電壓、電流、功率等參數；能夠計量用電量。
1.1系統框圖
根據功能進行分析設計，系統框圖如圖1所示。
圖1 系統構成框圖
1.2 各模塊說明
1.2.1信息采集模塊
信息采集的主要任務是采集用電負載的電參量，包括電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。從設計成本、穩定性等綜合考慮，選用了深圳市健思科技有限公司研制的6路互感式計量模塊，型號為JSY-MK-141。該模塊能夠監測6路用電負載，分別完成各路電能的采集、監測及數據傳輸，準確測量每一路的交流電壓、電流、功率、頻率、功率因數、用電量等電參數，測量精度達到0.1級，提供一路RS485通信接口，具有很高的性價比。MODBUS-RTU通信協議規約見表1。
表1 MODBUS-RTU規約
負載單相輸入220V、互感器檢測電流50A，模塊供電24V，符合設計要求指標。MODBUS-RTU通信規約實例:讀多路寄存器的數據，功能碼為0X03。例:主機要讀取的地址為01H、開始地址為0048H的2個從機寄存器數據。
1.2.2人機界面
人機界面能夠實現信息的內部形式與用戶可以接受形式之間的轉換。人機界面在本裝置中的作用有:實時顯示電流、電壓、用電量、功率因數等電參量，控制處理器和信息采集模塊；在用戶違規使用電熱器具或者大功率用電器時，及時報警提醒管理人員。考慮人機交互的可操作性、實用性和經濟性原則，選用步科eView ET100工業型人機界面。該屏為10.1英寸、分辨率1024×60像素的4線電阻觸摸屏，額定電壓24V，功率5.3W，并帶有節能保護功能，支持 MODBUS-RS通信規約的PLC、單片機通信，組態軟件功能全面，系統參數、固件更新、觸控校準方便，性價比高。該觸摸屏通過RS232、RS485 串口分別與處理器、信息采集模塊通信，并讀取、顯示各路負載的用電參量，同時獲取屏幕的觸摸事件，把相應的信號回傳給處理器。
1.2.3 處理器
處理器作為從機，與觸摸屏進行數據通信，處理相關的數據運算和邏輯判斷，并根據觸摸事件信息及運算結果控制各路負載的電源通斷。根據設計要求，需要控制6路負載的電源，故選用三菱FX3SA-20MT作為處理器。該處理器集CPU、電源、輸入輸出為一體，工作可靠，性價比高。
1.2.4 開關電源模塊
根據各模塊設備的用電參數，信息采集器供電電源為9～24V、觸摸屏和處理器PLC供電電源均為24V。市場上有大量的開關電源，技術很成熟，不需自己開發設計。考慮到各模塊的功耗都不大，故選用24V、25W的開關電源。
2系統接線圖
系統接線圖如圖2所示。受通信端口限制，需自制通信線纜。由于PLC每個端口只能通過2A電流，且頻繁通斷負載電源容易損壞PLC端口，故在PLC輸出端口擴展了繼電器模塊。
圖2 系統接線圖
3工作原理及過程
3.1 監控模式
數據采集模塊采集電參量(電壓、電流、用電量、功率)，觸摸屏通過RS485 串口與之通信，以MODBUS協議的數據格式讀取相關數據，并通過RS232串口與PLC通信，通過運算找到相應數據，送至對應的存儲器中，由觸摸屏實時顯示出來。宿舍管理員就可以知道宿舍的用電情況，并在觸摸屏上操作，斷開或接通學生宿舍的電源。
3.2惡性負載的識別
該裝置需要識別大功率電器和發熱電器這類惡性負載。當檢測到惡性負載時，在很短的時間內給予斷電，經過一段時間后再送電，并再次檢測惡性負載是否存在。若該宿舍發現3 次使用惡性負載，則斷開電源并記錄事件、報警。斷電后，只有通過宿舍管理員才能恢復供電。
3.2.1大功率負載的識別
宿舍中常用的大功率用電器有電水壺、電飯鍋(800W以上的)、熱得快等。為發現這些大功率電器，只需在觸摸屏中設置該線路的功率、電流(發生短路時電流急劇增加)，把該數據保存到存儲器中。當某一宿舍功率、電流超出預設范圍時，系統發出報警信號，同時切斷對應線路的電源，并更新觸摸屏頁面監控狀態。宿舍管理員通過屏幕就能知道哪個宿舍在使用大功率電器，可以迅速趕往事故點進行評批教育。
3.2.2小功率發熱器件的識別
對于一些小功率發熱用電器，如電吹風、電熱毯、電烙鐵、小功率電飯鍋等，如果使用不當(比如忘記關電吹風、電熱毯等)，長時間發熱也會引起火災等重大安全事故，因此對這些小功率電器也不能忽視。我們對部分電器的電參數進行了測試，詳見表2。
表2部分電器電參數測試數據
對于大功率惡性負載，從功率上很容易發現處理。對于小功率的發熱電器，如電吹風(高擋)、小功率的電飯鍋、電熱毯等，它們工作時功率因數都很高，差不多為1，我們只需要根據功率因數就可以判別。而電吹風(低擋)工作時，功率為121W，功率因數為0.815；臺式電腦功率因數為0. 89左右，每增加1臺電腦時，功率增加60W，功率因數基本不變。只按照功率因數判斷，容易誤判臺式電腦為惡性負載。解決方法:設定功率單次增加80W 以上(電吹風低檔位)，同時功率因數大于0.8為惡性負載;功率單次增加小于80W(臺式電腦)，同時功率因數大于0.93為惡性負載。通過這樣的程序設置，就可以把臺式電腦和電吹風(低擋)區分開來。實驗證明該方法可靠可行。
3.3 用電量計量功能
采集系統采集線路中的用電量信息并存儲于內存，PLC讀取該信息，并將用電量累加，存儲在存儲器中，每個月的用電量乘以單價，就是宿舍的電費。可以采用預繳模式，通過觸摸屏把宿舍預存電量輸入系統，預存的用電量與實時的用電量進行運算，當相減為0時，自動切斷電源，并顯示出是哪個宿舍，提醒宿舍人員繳費。
4 制作測試步驟
（1）按接線圖搭建硬件電路，并通電測試觸摸屏、PLC、采集器供電是否正常，若不正常，用萬用表逐步檢查，直至排除故障。
（2）利用組態軟件，對觸摸屏進行組態、編輯，設置相應的開關、文本屬性，無誤后下載到觸摸屏中(組態方法見使用手冊)。
（3）觸摸屏與采集器通信測試，設置通信端口，編寫相關程序，讀取采集器數據，進行計算處理，顯示出來。
（4）觸摸屏與PLC通信測試，編寫PLC程序，進行整機聯調，完成相關的功能測試。
5安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
5.1 系統方案
系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。
5.2 系統功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。
遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。
遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。
遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
5.3 產品選型
6結束語
該系統方案，通過實物試制、測試達到了設計要求，并具有以下特點:簡潔性:不用復雜的布線方式，不用每個宿舍都安裝一個電表，一個采集器可以采集多個宿舍的用電情況，節約成本，節省安裝空間，易于集中管理控制。智能性:普通電表出現過載、短路現象，若不能及時發現，就會燒毀熔斷器或者發生其他安全事故。本方案可以及時發現并切斷電源，同時報警提醒宿舍管理員對相關宿舍人員進行批評教育。多功能性:具備電表的用電量計量功能，并能算出實際用電費用。系統能夠存儲預繳電費，并按用電量自動扣減，當剩余用電量等于0度時，自動切斷電源。相對于買卡充電，成本低，管理容易。該系統不需要復雜的技術支持，讀電、充電、斷電操作簡單便捷。隨著生活水平的提高，很多宿舍都安裝了空調，空調都采用單獨布線，專線控制，集中管理。若要對空調進行控制及計費，該系統也是可行的，只需設定功率范圍，即可進行有效控制。
【參考文獻】
[1]苗鵬，陳燕鳳，謝文波.學生宿舍安全用電系統的設計
[2]朱向東，石劍榮．學生宿舍火災事故樹分析［J］．安全與環境工程，2009，16(1):78－80.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06
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