计量器具智能周转柜系统研制

陈建进

(杭州世创电子技术股份有限公司，浙江 杭州 311121)

0 引言

传统的电能计量资产管理普遍采用周转箱和电能资产原包装进行存储，不仅占地面积大、存储效率低，而且存取不便、劳动强度大[1]；各基层供电公司、供电所的电能表领用流程还停留在手工登记阶段，抢修零散用表经常出现先领用再补工单、领用无人监督的现象，无法有效管理和统计领用却未安装到现场的电能表，给基层供电公司的电能表库存管理带来了困难[2]。随着电力计量器具的大规模应用，建设智能化仓储系统已成为电力行业计量资产管理与运营的发展趋势[3-6]。国家电网公司明确要求计量器具达到“自动化检定、集中仓储、物流化配送”[7]。省级计量中心的核心任务是建设智能化仓储系统，提升计量业务的管理水平[8-10]。

本文设计了计量器具智能周转柜系统。

1 原理与设计

智能周转柜系统包含存储控制单元和计算机软件两大部分。

1.1 存储控制单元

存储控制单元主要包括控制柜、存储柜、各类监控传感器等，采用模块化拼装结构，控制柜、存储柜根据用户需求可进行左拼或右拼，拼装灵活自由[11]；控制柜包含计算机主机、触摸屏、读写器、音箱、网络接口、后备电源、摄像头等组件。存储柜由存储板、传感器、电子锁、LED显示屏等组成，用于存放计量器具。电力公司计量中心存储和管理的计量器具主要包括单相电能表、三相电能表、低压电流互感器和用电信息采集终端[12]。单个存储柜体设置6～9层存储板[13]。存储板按存储产品的不同，分为单相表存储板(兼容采集器存储)和三相表存储板(兼容采集终端和集中器存储)，可根据用户需要灵活配置。存储板的每个储位均带有传感器，用于感知储位状态。存储板的每个储位均带有指示灯，在出入库操作时，起到引导的作用。存储柜可根据需求进行扩展，满足不同供电所计量器具的存储、领用要求，一台控制柜最多可管理三台存储柜。本文设计的智能周转柜的尺寸及存储容量如表1所示。

表1 智能周转柜尺寸及存储容量

柜门支持电控和钥匙两种方式开锁。停电状态下或发生故障时可由钥匙打开柜锁；电控门锁由控制单元控制。当操作员按要求操作并输入合法口令时，控制单元发出解锁命令，操作员方可开启柜门；支持自动上锁功能，未成功自动上锁时，柜门会发出报警声。

1.2 计算机软件功能

计算机软件主要包括系统管理、应用管理、监控管理、数据库、数据接口等部分。

1.2.1 系统管理

①身份管理：通过输入操作员工号和密码的方式进行身份认证。操作员账号和密码可与营销业务应用系统共用，操作员权限在营销业务应用系统中分配。

②储位管理：可以设置储位的禁用与启用，如果所禁用的储位上存放有设备，将提示操作员进行移位。

③程序升级：支持软件的本地及远程升级。

1.2.2 应用管理

①入库管理：支持配送入库和领出未装入库两种方式。

②出库管理：支持装表出库、预领出库、抢修预领出库、返回配送出库等方式。出库顺序采用先检先出与先进先出相结合的策略。

③库存盘点：支持周期盘点和强制盘点。

④超期告警：对于计量器具领出安装未按时归档进行告警；对超过检定周期的库存计量器具进行告警。

⑤智能引导：具备语音提示、指示灯引导功能，能引导操作员按提示进行操作。

1.2.3 监控管理

①库存量监控：实时监控库存变化情况，当存量低于设定值时，自动记录并告警。

②储位监控：实时监控储位状态，出现储位异常的情况，自动记录并告警。

③柜门监控：对柜门的异常开启、关闭进行监控，出现异常自动记录并告警。

④停电监控：具备停电记录功能，恢复供电后，对停电前后储位状态变化进行分析，状态不一致时进行告警。

⑤温湿度监控：实时监控温湿度，当温湿度低于报警阀值下限或高于报警阀值上限时，自动记录和告警；同时启动加温或除湿模块工作。

⑥图像监控：当出现柜门开启、储位异常等情况时，进行拍照记录存档，并通过接口上传到管理系统中。

1.2.4 数据接口

智能周转柜与外部系统接口分为以下两种。一是周转柜与营销业务应用系统接口，主要负责周转柜与营销业务应用系统的业务交互；二是周转柜与生产调度平台的接口，主要负责周转柜监控部分的数据交互。子营销业务系统及计量生产调度平台系统接口采用Web Service 中间库的方式，采用串口方式和下位机通信[14]。

1.3 电控设计

电控控制框图如图1所示。系统采用单块主控板和多块I/O板架构，主控板与计算机进行RS-485通信，每块I/O板对应控制单块存储板，实现存储板的LED指示灯、储位状态信息与计算机的数据交互。单位主控板的RS-485地址固定，多块I/O板的RS-485地址通过拨码开关设定。主控板具有两路隔离的RS-485通信接口，一路与计算机通信，一路与多块I/O板通信。主控板接收计算机指令，并把指令传递给I/O板，再由I/O板控制存储板上LED指示灯的亮灭；I/O板实时读取存储板上的储位状态，再由主控板实时轮询I/O板所读到的储位信息，并通过主控板把存储板上的储位信息传递给计算机。

图1 电控控制框图

1.3.1 硬件电路设计

主控板硬件电路主要由温湿度传感器电路、掉电检测电路、微处理器、2路隔离开关电源、2路RS-485通信接口电路、日历时钟电路、柜门监控电路等构成。隔离开关电源输出5 V隔离电压，为RS-485通信接口电路提供隔离电源。

I/O板硬件电路主要由微处理器、1路隔离开关电源、1路RS-485通信接口电路、储位检测电路、LED指示灯驱动电路、拨码开关电路等构成，I/O板的RS-485通信地址由拨码开关人工设定。

储位检测传感器采用普通微动开关，简单可靠，其检测电路如图2所示。当存储板上放置电能表等物体时，被放置的物体会接压微动开关使其处于闭合状态，光耦的输入端导通，经过光耦的光电转换，光耦的输出端输出低电平；当存储板上没有放置物体时，微动开关处于断开状态，光耦的输入端不导通，光耦的输出端为高电平；通过微处理器检测光耦输出端的高低电平状态来识别存储板上是否放置电能表等物体。

图2 储位检测电路

1.3.2 嵌入式软件设计

微处理器软件采用C语言编程。I/O主程序流程如图3所示。

图3 I/O板主程序流程图

拨码开关状态扫描，读到拨码开关值作为I/O板的RS-485地址。I/O板作为从机与主控板进行RS-485通信，接收主控板的命令，控制储位指示灯的亮与灭，把实时读取到的储位状态信息传递给主控板。假设某个储位的指示灯已处于点亮状态，当对应的储位状态有变化时，无需主控板通信控制，I/O板程序直接控制对应储位指示灯闪烁3 s，提示用户储位已放好或者拿开。假设某个储位的指示灯已处于关灭状态，当对应的储位状态有变化时，无需主控板通信控制，I/O板程序直接控制对应储位指示灯以比较快的频率一直闪烁，提示用户主控板存在故障。

主控板主程序流程如图4所示。

图4 主控板主程序流程图

2 试验过程

在使用周转柜前，供电所电能表储存和领用全靠人工管理，资产管理人员只能将零散备用电能表放在库房中，抢修人员领取电能表需通过营销计量资产管理人员，影响了抢修效率。而智能周转柜投入使用后，供电所的师傅通过正常的用户名密码登录系统，选择周转柜触摸屏上的“抢修预领”按钮，按照多媒体智能引导系统完成抢修预领操作，领取两台电能表前后只用40 s左右。

上述计量器具智能周转柜系统的设计技术，已成功用于I型、II型、III型周转柜，并实现批量生产，在山东、湖南、江西、安徽、浙江、辽宁等地得到广泛应用。经过近2年的运行，智能周转柜能够完成系统设置、身份认证、储位管理、智能引导、入库、出库、库存盘点、监控等功能。系统有效规范了基层供电公司、供电所电能表的管理流程，实现了网络平台化控制，取得了良好的应用效果，具有广阔的应用前景。

3 结束语

智能化的出入库管理，可以像银行ATM机一样无人值守，有权限的操作员可随时对周转柜进行存取表的操作，方便了抢修人员在夜间、节假日的快速领表。

采用单块主控板和多块I/O板的RS-485总线通信控制系统，解决了大量信号的输入输出控制问题。在计算机和I/O板之间引入主控板。主控板实时轮询所有I/O板的储位信息，解决了计算机直接RS-485轮询多块I/O板响应慢的问题。系统具有人性化的灯光引导功能。当用户储位正常工作时，对应储位指示灯自动闪烁3 s，提示用户操作正确；当储位异常时，对应储位指示灯自动闪烁告警。