新型电站监控系统的设计与开发

文/康平 李源 张盼

1 研究目的

近年来，随着装备技术的发展和户外基建设施设备增多，施工装备在数量和质量上都有了巨大变化，特别是用电设备种类、功率的不断增多、增大，对电能消耗的依存度也不断加大。野外作业在没有配套电网保障的情况下，发电机组作为临时通用能量转换装置，具有移动安装方便、工作稳定等诸多特点被广泛应用，但在使用中精准保障智能化管理不够理想。诸如不同型号机组同时工作，需长时有人值守监护、操作，以便及时发现和解决如燃油、电压稳定性等故障症候，以确保负载设备运行安全稳定，减少停电、停机故障时间，提高施工进度。因此急需要建立一套远端监控系统来改善管控模式，缓解保障监管人员数量与能力的不足，改善长时、高温、高噪的工作环境、降低装备维护成本，延长使用寿命。

2 实用需求分析

本系统的设计初衷是为了解决施工过程中各类发电机组设备因技勤人员少造成装备状态监控不足、使用管理粗放等问题。通过与厂家、发电机组保障人员的广泛交流，以及对施工作业期间设备使用环境、故障特点的分析研究、操作实践，理清了系统设计的基本需求。

2.1 实时性要求

实时远端反映发电机组电站工作状态的指标参数有电压、电流、功率、功率因数、机油压力、水温、油量等，对于时间敏感信息，要做到状态信息实时传输显示，要求系统要有较高的数据采样速率、信息处理能力和数据传输能力；对于幅度敏感信息，则要求信息采样精度要高，数据传输要稳定可靠；对于异常故障信息，要第一时间准确判定，第一时间故障预警；使用中，实现远端远程模式的开关机，输供电、漏电保护，过、欠压保护，工作时间记录，维护预警等功能。

2.2 通用性要求

目前配属使用的发电机组设备型号数量庞杂，工作方式各异，因此系统设计时要充分考虑到兼容性和扩展性要求，在不对原有机组操作架构较大改变或影响的情况下，确保系统能够适用各型装备，满足多部装备同时在线监控。

2.3 环境适应性要求

系统设计要小巧灵活，便于安装，易于操作，其环境适应性要强，野外应用时要做到防水、防尘、抗干扰。

2.4 低成本要求

在系统设计时尽量减少对现有装备的结构改动，依托装备现有的传感器设备完成系统功能设计，从而降低成本，提高系统的推广价值。

2.5 低功耗要求

系统的启动运行，通过发电机组的电瓶供电，要求功耗低、待机时间长、耐压区间大。

3 系统设计

该系统主要依托无线网络来实现基本设计，在公里级范围内，通过搭建的无线局域网络，实现对多部发电机组电站设备工作状态的实时监控。同时，在互联网可接入的前提下，能够实现与各类物联网云服务平台的对接，实现监控范围的网络扩展。

3.1 系统结构

系统主要由设备端、显控端以及网络通信端三部分组成。设备端安装于发电机组电站设备之上，负责采样收集各类传感器的数据，完成数据信息的打包上传和控制信息的接收执行。显控端依托手机等移动载体，提供人机交互界面，完成状态信息的显示、报警和控制命令的输出。网络通信端为设备端和显控端提供无线互联通路。

系统结构如图1所示。

3.2 硬件设计

每一台油机电站设备安装有一块固定地址信息的MCU微控制器，通过各种接口电路与各类参数传感器、执行器连接。其中微控制器采用Espressif公司设计的ESP8266芯片，其在智能家居物联网领域有较为成熟可靠的应用。其典型特征如下：

· 802.11b/g/n

· Wi-Fi Direct (P2P)、soft-AP

图1：系统组成示意图

图2：水温传感器输出电平与温度关系曲线

图3：数据上传流程

图4：控制命令下达流程

图5：显控终端界面

· 内置TCP/ΙP协议栈

· 内置TR开关、balun、LNA、功率放大器和匹配网络

· 内置PLL、稳压器和电源管理组件

· 2ms之内唤醒、连接并传递数据包

· 集成SDΙΟ2.0、SPΙ、UART接口

本项目采用搭载该款芯片的ESPDUΙNΟ开发板作为设备端的硬件核心，优化后的供电电路可接受5～16V的宽幅直流供电，可直接连接油机12V启动电瓶，为系统的长时间待机提供了保障，同时该电路也提供5V、800mA的供电输出，能够满足多种传感器、模拟信号切换开关等外围器件的电能需求。

监测敏感点选择机油压力、水温、输出电压、电流、功率、功率因数、频率、油量等指标信息（可根据油机型号灵活调整检测点），其中机油压力、水温、油量等信息的采集依托装备现有传感器，通过开发板自身集成的ADC完成数据采样。由于ESPDUΙNΟ只提供A0一个AD采样接口（采样范围0～5V），无法同时采样多种传感器数据，考虑到当前采样数据类型不多，以及后期功能扩展的需要，将A0接口接入一个74HC4067的16通道模拟信号开关，从而实现用1个ADC对16路模拟信号分时采样的功能扩展，即设备端可以通过1个10位AD，最多采集16组模拟传感器信号。

以对机油压力进行采样为例，油机电站使用YY-010型压力传感器，感应量程0-1MPA对应电阻输出0-184Ω，在原测量电路中，使用12V电压驱动，无法直接进行采样，通过串接1KΩ可调电阻，调整分压电阻阻值至560Ω左右，形成0-5V分压电路，然后再进行电压采样，通过采样电压与压力的线性对应关系最终计算输出当前机油压力值。同理可对水温采样的硬件电路进行设计改造（采样电压与温度值是反向线性对应关系，即NTC型输出）。对于线性度不好、采样值偏差较大或者线性对应关系未知的传感器，可以通过数值拟合标定的办法来确定输出关系，提高输出精度。在获取康明斯油机水箱水温时，由于传感器的输出关系曲线未知，无法进行采样计算，此时通过实测283组温度与输出电平的散列点，拟合出一条方差最小的直线作为输出关系曲线，编程后得出的采样温度值与实测值误差很小，达到使用要求。如图2所示。

电压、电流、功率、频率、功率因数等信息的采集通过LT-163单相互感式电能计量模块实现，通信规约采用标准MΟDBUS-RTU协议。MΟDBUS 协议在一根通讯线上采用主从应答方式的通讯连接方式。首先，主计算机（ESPDUΙNΟ）的信号寻址到一台唯一地址的终端设备（LT-163），然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。ESPDUΙNΟ向LT-163发送读取寄存器指令，LT-163将寄存器存储的电压、电流、功率等数据反馈给ESPDUΙNΟ，由于ESPDUΙNΟ的TTL通信接口已被USB占用，可通过程序将GPΙΟ13、GPΙΟ15开通为软串口来连接LT-163。

对开关机的控制动作，通过ESPDUΙNΟ的数字3脚、5脚分别连接两组光耦继电器来完成启动电机的加电和油门拉杆的断电，为确保启动和停止命令的可靠完成，两组继电器的执行动作周期被设定为3秒。

输供电、漏电保护，过、欠压保护，在原设备的基础上，通过对电源输出端的采样，系统内设置过、欠压安全阙值，实现保护和预警。

3.3 软件设计

软件设计分为两个部分，一是ESPDUΙNΟ开发板驱动程序的设计，另一个是移动终端APP软件的设计。

ESPDUΙNΟ的编程开发采用Arduino语言，这是一种是建立在C/C++基础上的，对AVR单片机参数设置函数化后的C语言。工作时，程序要完成各类传感器状态信息的数字化采样，分析数值是否在设定的阈值区间；对于协议数据，要按照接口协议的规范格式完成数据的读取；在上传数据时，将数据与告警信息转换成JSΟN数据格式，通过Wi-Fi通信模块发送，经路由器（局域网或国际互联网）送到用户的移动终端显示。控制信息由移动终端发送，经网络送入MCU，MCU通过执行器完成控制命令，并更新执行器的状态，更新后的状态信息由MCU发送给移动终端，向用户反馈控制结果。数据上传流程如图3所示，控制命令下达流程如图4所示。

目前支持物联网应用的云平台有很多，如机智云、ΟneNET、氦氪云、乐联网等，每个云平台的功能各有特色，本项目采用开源的Blinker物联网接入方案，其特点事可根据项目需要自由定制手机端的APP功能和界面，提供多种开源库函数，支持Arduino、esp8266、esp32、树莓派或其他linux开发板，支持语音、震动等多种功能调用，可以很好的完成系统所需的Wi-Fi接入方式的功能设计。该系统可以实现数据信息和控制信息的多路扩展，能够同时接入多部电站设备。同时系统提供控制权限共享功能，可以实现多个用户对同一设备的控制。如图5所示。

4 实用特点与创新

图6：设备端的安装位置图

该系统的设计与开发坚持以任务需求为导向，采用模块化平台化设计，有很强的推广价值，其设计理念和所用技术具有以下特点：

（1）系统设计与实用需要紧密结合，实用性、针对性强，采用移动物联网技术与移动终端相结合，人机分离的情况下，可同时实现对多部发电机组设备多种状态参数的实时监控，并可以对装备参数的异常变化进行自动监控报警，如机油压力过低、油量不足、水温过高等，极大地提升了发电机组设备的自动化、智能化水平，系统拥有较好的人机交互性，扩大了技勤人员的保障感知范围，降低了工作强度；

（2）系统监控范围广，搭建使用方便。快速部署架设时仅需一部手机，开启WLAN热点共享功能即可完成系统环境搭建，监控半径不小于150米，经多次任务检验，系统具备防水、防尘、抗干扰、超长待机的优势，在野外机动作业环境下展现了很高的应用价值；长期固定架设时，可通过无线路由器连接，局域网模式下，监控半径由路由器的信号覆盖能力决定，单路由器无桥接情况下通常不小于300米，多路由桥接后监控范围成倍扩展。在互联网模式下，可完成数千公里范围的低速数据监控。

（3）系统对现有发电机组设备做了充分的兼容性设计，在设计时尽量避免对现有设备进行硬件改造，实现了电力、部分传感器和控制器的兼容共用，从而极大地节约了硬件成本；整个系统采用模块化设计，预留了足够的功能扩展接口，易于功能组合和拓展。其低成本、模块化的优势有利于大范围的推广使用，在老旧发电机组电站设备的信息化升级改造上极具优势。

（4）系统的可移植性和可扩展性十分突出，应用场景十分广泛，可用于多种场景下对多种设备的监测控制；而同一设备的控制权又可以实现多用户授权共享，进一步扩展了应用场景。

5 总结

实践证明，通过在发电机组上加装此监控系统，在人机分离的情况下，单人可同时实现对多部油机设备多种状态参数的实时监控，该系统可对发电机组参数的异常变化进行无延迟自动监控报警，如机油压力过低、油量不足、水温过高等，极大地提升了油机设备的自动化、智能化水平，降低了工作强度，改善了工作环境。