学生宿舍安全用电系统的设计

苗鹏,陈燕凤,谢文波

(汕尾职业技术学院海洋工程系，广东 汕尾 516600)

0 引言

空调、洗衣机、电热水器等大功率用电器的使用，给我们的生产、生活带来了极大的便利,但使用这些设备会存在大电流、发热等问题，特别是电吹风、热得快、电饭锅等发热设备，使用不当很容易造成安全事故。对于人员较为集中的学生宿舍来说，安全用电尤为重要。虽然各个学校都有相关规章制度禁止在宿舍内使用大功率、发热量大的用电器，但屡禁不止，用电安全事故时有发生[1-2]。安全重于泰山，我们不仅仅要做好学生的用电安全教育，还要有监督、发现、处理安全用电隐患的能力，把隐患消灭在萌芽状态。本装置就是为了保障学生宿舍用电安全而研发设计的。

1 硬件系统设计

学生宿舍用电设备主要为电饭锅、热得快、电磁炉、电吹风等一些电热器具，这些电器使用不当很容易引起安全事故，引发火灾，后果不堪设想。安全用电保障装置的设计要求为：①能识别大功率电器，比如800 W以上的用电器禁止使用；②能够识别小功率的电热设备；③能够准确报警，切断故障电源；④能够实时显示各路电压、电流、功率等参数；⑤能够计量用电量。

1.1 系统框图

根据功能进行分析设计，系统框图如图1所示。

图1 系统构成框图

1.2 各模块说明

1.2.1 信息采集模块

信息采集的主要任务是采集用电负载的电参量，包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。从设计成本、稳定性等综合考虑，选用了深圳市健思科技有限公司研制的6路互感式计量模块，型号为JSY-MK-141。该模块能够监测6路用电负载，分别完成各路电能的采集、监测及数据传输，准确测量每一路的交流电压、电流、功率、频率、功率因数、用电量等电参数，测量精度达到0.1级，提供一路RS485通信接口，具有很高的性价比。MODBUS-RTU[3]通信协议规约见表1。负载单相输入220 V、互感器最大检测电流50 A，模块供电24 V，符合设计要求指标。

MODBUS-RTU通信规约实例：读多路寄存器的数据，功能码为0X03。

表1 MODBUS-RTU规约

例：主机要读取的地址为01H、开始地址为0048H的2个从机寄存器数据。

1.2.2 人机界面

人机界面能够实现信息的内部形式与用户可以接受形式之间的转换。人机界面在本装置中的作用有：①实时显示电流、电压、用电量、功率因数等电参量，控制处理器和信息采集模块；②在用户违规使用电热器具或者大功率用电器时，及时报警提醒管理人员。考虑人机交互的可操作性、实用性和经济性原则，选用步科eView ET100工业型人机界面。该屏为10.1英寸、分辨率1 024×60像素的4线电阻触摸屏，额定电压24 V，功率5.3 W，并带有节能保护功能，支持MODBUS-RS通信规约的PLC、单片机通信，组态软件功能全面，系统参数、固件更新、触控校准方便，性价比高。该触摸屏通过RS232、RS485串口分别与处理器、信息采集模块通信，并读取、显示各路负载的用电参量，同时获取屏幕的触摸事件，把相应的信号回传给处理器[4]。

（一）范例法。教师在教学前需要为学生准备写作所需案例，随后慎重讲解范文内容，帮助学生明白应当如何进行写作。随后教会学生自行写作的流程和方法，用趣味化、典型化的文章引导学生。教师可以在多媒体中播放和写作文章相似的图片或视频片段，引起学生良性感知，突出教学重心。该方法能够有效奠定学生基础素质与基础能力，教师要在此基础上重视创新思想的运用，开发学生的想象能力。注重学生平时资料、案例、经验的积累过程，随后由教师布置课后任务。学生自行从网络中找寻案例。在课堂中展开知识点讨论，帮助学生积累语言案例和资源案例。

1.2.3 处理器

处理器作为从机，与触摸屏进行数据通信，处理相关的数据运算和逻辑判断，并根据触摸事件信息及运算结果控制各路负载的电源通断。根据设计要求，需要控制6路负载的电源，故选用三菱FX3SA-20MT作为处理器。该处理器集CPU、电源、输入输出为一体，工作可靠，性价比高[5-8]。

1.2.4 开关电源模块

根据各模块设备的用电参数，信息采集器供电电源为9～24 V、触摸屏和处理器PLC供电电源均为24 V。市场上有大量的开关电源，技术很成熟，不需自己开发设计。考虑到各模块的功耗都不大，故选用24 V、25 W的开关电源。

2 系统接线图

系统接线图如图2所示。受通信端口限制，需自制通信线缆。由于PLC每个端口最大只能通过2 A电流，且频繁通断负载电源容易损坏PLC端口，故在PLC输出端口扩展了继电器模块。

图2 系统接线图

3 工作原理及过程

3.1 监控模式

数据采集模块采集电参量(电压、电流、用电量、功率)，触摸屏通过RS485串口与之通信，以MODBUS协议的数据格式读取相关数据，并通过RS232串口与PLC通信，通过运算找到相应数据，送至对应的存储器中，由触摸屏实时显示出来。宿舍管理员就可以知道宿舍的用电情况，并在触摸屏上操作，断开或接通学生宿舍的电源。

3.2 恶性负载的识别

该装置需要识别大功率电器和发热电器这类恶性负载。当检测到恶性负载时，在很短的时间内给予断电，经过一段时间后再送电，并再次检测恶性负载是否存在。若该宿舍发现3次使用恶性负载，则断开电源并记录事件、报警。断电后，只有通过宿舍管理员才能恢复供电。

3.2.1 大功率负载的识别

3.2.2 小功率发热器件的识别

对于一些小功率发热用电器，如电吹风、电热毯、电烙铁、小功率电饭锅等，如果使用不当(比如忘记关电吹风、电热毯等)，长时间发热也会引起火灾等重大安全事故，因此对这些小功率电器也不能忽视。我们对部分电器的电参数进行了测试，详见表2。

对于大功率恶性负载，从功率上很容易发现处理。对于小功率的发热电器，如电吹风(高挡)、小功率的电饭锅、电热毯等，它们工作时功率因数都很高，差不多为1，我们只需要根据功率因数就可以判别。而电吹风(低挡)工作时，功率为121 W，功率因数为0.815；台式电脑功率因数为0.89左右，每增加1台电脑时，功率增加60 W，功率因数基本不变。只按照功率因数判断，容易误判台式电脑为恶性负载。解决方法：设定功率单次增加80 W以上(电吹风低档位)，同时功率因数大于0.8为恶性负载；功率单次增加小于80 W(台式电脑)，同时功率因数大于0.93为恶性负载。通过这样的程序设置，就可以把台式电脑和电吹风(低挡)区分开来。实验证明该方法可靠可行[9-10]。

表2 部分电器电参数测试数据

3.3 用电量计量功能

采集系统采集线路中的用电量信息并存储于内存，PLC读取该信息，并将用电量累加，存储在存储器中，每个月的用电量乘以单价，就是宿舍的电费。可以采用预缴模式，通过触摸屏把宿舍预存电量输入系统，预存的用电量与实时的用电量进行运算，当相减为0时，自动切断电源，并显示出是哪个宿舍，提醒宿舍人员缴费。

4 制作测试步骤

1)按接线图搭建硬件电路，并通电测试触摸屏、PLC、采集器供电是否正常，若不正常，用万用表逐步检查，直至排除故障。

2)利用组态软件，对触摸屏进行组态、编辑，设置相应的开关、文本属性，无误后下载到触摸屏中(组态方法见使用手册)。

3)触摸屏与采集器通信测试，设置通信端口，编写相关程序，读取采集器数据，进行计算处理，显示出来。

4)触摸屏与PLC通信测试,编写PLC程序，进行整机联调，完成相关的功能测试。

5 结语

该系统方案，通过实物试制、测试达到了设计要求，并具有以下特点：

简洁性：不用复杂的布线方式，不用每个宿舍都安装一个电表，一个采集器可以采集多个宿舍的用电情况，节约成本，节省安装空间，易于集中管理控制。

智能性：普通电表出现过载、短路现象，若不能及时发现，就会烧毁熔断器或者发生其他安全事故。本方案可以及时发现并切断电源，同时报警提醒宿舍管理员对相关宿舍人员进行批评教育。

多功能性：具备电表的用电量计量功能，并能算出实际用电费用。系统能够存储预缴电费，并按用电量自动扣减，当剩余用电量等于0度时，自动切断电源。相对于买卡充电，成本低，管理容易。该系统不需要复杂的技术支持，读电、充电、断电操作简单便捷。

随着生活水平的提高，很多宿舍都安装了空调，空调都采用单独布线，专线控制，集中管理。若要对空调进行控制及计费，该系统也是可行的，只需设定功率范围，即可进行有效控制。