姚陽(yáng)，楊存平，王際

（資陽(yáng)中車電氣科技有限公司，資陽(yáng) 641300）

引言

電氣控制柜是機(jī)車的控制中樞，目前某些國(guó)產(chǎn)機(jī)車的電氣控制控制臺(tái)柜依舊停留在定期進(jìn)行人工維護(hù)和檢查的階段中，在列車運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法對(duì)這類電氣控制設(shè)備的健康狀況進(jìn)行檢查。因而設(shè)計(jì)電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電氣控制柜中各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)傳輸至遠(yuǎn)端上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)反映電氣控制柜各項(xiàng)電力參數(shù)以及柜內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的電氣控制柜相比，加入該監(jiān)控系統(tǒng)的電氣控制柜在運(yùn)行的安全和可控上實(shí)現(xiàn)了較大的提升：電氣控制柜可遠(yuǎn)程與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警及存儲(chǔ)；而且依靠各型傳感器實(shí)時(shí)感知電控柜內(nèi)部異常環(huán)境變化，一旦出現(xiàn)緊急情況，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并遠(yuǎn)程斷開回路，工程技術(shù)人員可在第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行排查與維護(hù)，提高了機(jī)車配電安全性及可控性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)車電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)基于用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜內(nèi)重要電氣部件配電情況監(jiān)測(cè)的需求，采用51系列單片機(jī)結(jié)合各種傳感器設(shè)計(jì)組成智能儀器，采用PC（結(jié)合LabVIEW軟件）構(gòu)成上位機(jī)，對(duì)電氣控制柜關(guān)鍵回路上的電壓、電流、功率以及功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在Lab-VIEW軟件開發(fā)環(huán)境下，利用圖形化編程語(yǔ)言，開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。具備數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)存盤、導(dǎo)出等功能，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)設(shè)置閥值，一旦超標(biāo)，立即通過(guò)聲光方式進(jìn)行預(yù)警，并及時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器斷電保護(hù)電路，快速控制意外情況造成的損失和傷害擴(kuò)大。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)組成[1]。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備主要是以STC89C52單片機(jī)為核心，結(jié)合電流、電壓互感器，溫濕度傳感器、聲光報(bào)警電路、LCD12864顯示單元以及繼電器保護(hù)電路（上位機(jī)發(fā)送指令，由單片機(jī)控制繼電器的來(lái)斷開或者閉合回路）構(gòu)成下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集傳輸以及電氣回路的控制。GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸通訊，將各路傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)STC89C52處理后由GPRS無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。這種無(wú)線傳輸方式相較于有線傳輸成本優(yōu)勢(shì)明顯，適合遠(yuǎn)距離且數(shù)據(jù)量不大的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)主要由PC借助LabVIEW（虛擬儀器）為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)電力參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控：當(dāng)電氣控制柜發(fā)生異常及時(shí)預(yù)警以及提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，上位機(jī)會(huì)將預(yù)警部分加以顯示，并且對(duì)異常情況進(jìn)行記錄。工作人員不僅能夠?qū)Ξ?dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)，也能夠查詢以往數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)存盤，電力數(shù)據(jù)會(huì)以Excle的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，結(jié)合監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的讀取，并且以波形圖的形式更加直觀復(fù)現(xiàn)[2]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。下位機(jī)主要包括以STC89C52為核心的主控制器、前端數(shù)據(jù)采集電路（電壓、電流互感電路）、溫濕度傳感器電路、繼電器保護(hù)電路、預(yù)警電路、顯示電路以及GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送模塊；上位機(jī)主要是由STC89C52主控制器、GPRS數(shù)據(jù)接收模塊和PC組成。下位機(jī)主要承擔(dān)電氣控制柜電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸以及配電箱運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)；上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、顯示、預(yù)警和保存以及控制電氣控制柜電氣回路。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)需求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析設(shè)計(jì)需求，硬件選型、硬件電路設(shè)計(jì)和調(diào)試來(lái)完善硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 電能數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)

1）電壓互感器模塊

電壓互感器是系統(tǒng)的前端電壓調(diào)理部分，采用變比為2 mA/2 mA板載精密電壓互感器，板載高精度運(yùn)放電路，可以對(duì)信號(hào)精確采樣和做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償?shù)裙δ?，模塊可以測(cè)量1 200 V以內(nèi)的交流電，對(duì)應(yīng)模擬輸出可以調(diào)節(jié)，輸出的波形為正弦波，輸出的波形可以調(diào)節(jié)。

2）電流互感器模塊

電流互感器的感知電流的方式和變壓器原理類似。電流調(diào)理部分采用變比20 000：1 的電流互感器，將大電流轉(zhuǎn)化成小電流，然后經(jīng)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸入到CS5460A電能計(jì)量芯片相應(yīng)管腳，并在前端電路加入RC濾波電路對(duì)信號(hào)初步濾波。經(jīng)過(guò)CS5460A電能計(jì)量芯片的A/D轉(zhuǎn)換以及DSP處理，再由芯片輸出端以脈沖輸出的方式進(jìn)行電流計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中取電流互感器的量程為0～1 000 A。

3）CS5460A電能計(jì)量模塊

CS5460A是美國(guó)Cirrus Logic公司推出的一款用于專門測(cè)量電壓、電流、功率和能量的集成芯片。芯片輸出脈沖頻率與有功能量成正比，將脈沖輸出管腳連接至CPU，單片機(jī)能夠快速的計(jì)算電能數(shù)據(jù)。許多的電能計(jì)量?jī)x表都采用此款芯片進(jìn)行開發(fā)，芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，省去了許多的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)時(shí)間。結(jié)合CS5460A的特性，系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集電路采用這款芯片進(jìn)行電能計(jì)量[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電能數(shù)據(jù)采集端電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電能數(shù)據(jù)采集端電路設(shè)計(jì)

2.2 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)的是某型機(jī)車電氣控制柜，機(jī)車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)使得機(jī)車整體包括配電箱的使用環(huán)境會(huì)發(fā)生巨大的區(qū)域與時(shí)間變化。不同地域的溫濕度差別較大，不同時(shí)間特別是早晨、夜晚，氣溫的變化也較大，空氣濕度的增加都容易造成機(jī)車電氣控制柜壁結(jié)露甚至凝霜，很容易造成電氣控制柜內(nèi)部回路接觸點(diǎn)出線短路或者接觸不良，危害機(jī)車用電安全。因此選擇溫濕度傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)溫度、濕度設(shè)置合適的閾值并且與聲光報(bào)警電路結(jié)合。當(dāng)溫度或者濕度超出閾值，聲光報(bào)警電路及時(shí)預(yù)警。溫濕度傳感器DHT11與STC89C52的連接如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接圖

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由蜂鳴器和LED發(fā)光二極管構(gòu)成報(bào)警電路提供聲光報(bào)警。單片機(jī)設(shè)置的參數(shù)超過(guò)對(duì)應(yīng)設(shè)置的閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)LED二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲。報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 聲光報(bào)警電路

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示的參數(shù)主要包括：電壓、電流、功率以及功率因數(shù)，還有包括溫濕度傳感器獲取的溫度、濕度，LCD12864還需要實(shí)時(shí)顯示電氣控制柜內(nèi)部工作環(huán)境是否正常（如果電氣控制柜內(nèi)部溫度、濕度或者發(fā)生電氣火災(zāi)都會(huì)顯示設(shè)備報(bào)警）。LCD12864液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD12864液晶顯示電路設(shè)計(jì)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。上位機(jī)借助LabVIEW為平臺(tái)主要完成登陸界面的編程開發(fā)、數(shù)據(jù)顯示界面、故障預(yù)警以及數(shù)據(jù)存盤（電力參數(shù)抄表功能）。下位機(jī)主要是由各路傳感器以及預(yù)警電路組成[4]。下位機(jī)控制核心為STC89C52型單片機(jī)，主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)顯示及故障預(yù)警子程序、串口通訊子程序和主程序組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 登陸界面設(shè)計(jì)

登錄界面主要是針對(duì)用戶開發(fā)的賬戶管理界面，用戶必須輸入特定的用戶名和對(duì)應(yīng)的密碼才可以進(jìn)入監(jiān)控界面。用戶可以在更改用戶名與密碼，但是需要更改用戶名和密碼的權(quán)限（程序經(jīng)過(guò)加密，沒有權(quán)限密碼不能修改程序）。機(jī)車電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)界面的登陸界面如圖7所示。

圖7 智能電氣配電箱監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面

3.2 選擇界面設(shè)計(jì)

機(jī)車上往往不只有一個(gè)電氣控制柜，電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了監(jiān)控系統(tǒng)可以針對(duì)機(jī)車上的一個(gè)電氣控制柜或者多個(gè)電氣控制柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇界面如圖8所示。

圖8 電氣控制柜數(shù)據(jù)監(jiān)控選擇界面

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)最重要的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣控制柜各項(xiàng)電力參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)。界面主要顯示各項(xiàng)電力參數(shù)以及當(dāng)前溫濕度值，同時(shí)在每個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)后面設(shè)計(jì)雙色指示燈作為提示，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出規(guī)定的閾值，指示燈將由綠色變?yōu)榧t色。對(duì)電氣控制柜一路母線和三路出線的電壓、電流、功率以及功率因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且為電壓、電流、溫度、濕度設(shè)計(jì)閾值，當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)值大于閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。并且以波形圖的形勢(shì)將功率譜直觀的顯示在監(jiān)控界面前面板上，增加數(shù)據(jù)存盤功能，用戶可以對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行保存供日后調(diào)用查詢。監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 監(jiān)控界面

3.4 數(shù)據(jù)采集主程序設(shè)計(jì)

電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)是下位機(jī)程序設(shè)計(jì)的核心；主程序主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序以及GPRS/12864初始化[5]。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集主程序的框圖如10所示。

圖10 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集主程序框圖

3.5 串口通訊程序設(shè)計(jì)

CS5460A電能計(jì)量芯片與STC89C52的串行通訊如圖11所示。

3.6 數(shù)據(jù)采集子程序程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端控制核心STC89C52單片機(jī)初始化后，電能計(jì)量芯片CS5460A上電復(fù)位，而后接收并處理來(lái)自電壓、電流互感器傳輸?shù)哪M信號(hào)，在CS5460A內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。單片機(jī)核心不斷查詢是否讀完，讀完后進(jìn)行數(shù)據(jù)存盤。數(shù)據(jù)采集的流程如圖12所示。

圖11 串行通訊程序流程

圖12 數(shù)據(jù)采集子程序流程

4 結(jié)論

本論文主要針對(duì)某型機(jī)車電氣控制控制臺(tái)柜等電氣控制設(shè)備依舊停留在定期進(jìn)行人工維護(hù)和檢查的階段中，在列車運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法對(duì)這類電氣控制設(shè)備的健康狀況進(jìn)行檢查。因而設(shè)計(jì)電氣控制柜監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電氣控制內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)最新數(shù)字無(wú)線通訊技術(shù)傳輸至后臺(tái)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制軟件實(shí)時(shí)反映電力參數(shù)以及環(huán)境狀態(tài)，同時(shí)為電氣控制柜增加了可遠(yuǎn)程控制斷開回路功能。重點(diǎn)研究的是LabVIEW 與嵌入式開發(fā)的融合，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在多種工作環(huán)境中有效監(jiān)視電氣控制柜的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)警并且處理故障，在電氣控制柜電力參數(shù)監(jiān)測(cè)與可控性方面具有較好的應(yīng)用前景。