基于云平台的变电站电缆沟监控系统设计

史中生 王愈凌

摘要：首先介绍了基于云平台的变电站电缆沟监控系统的组成及各部分作用，然后阐述了该系统的工作原理，最后分析了该系统的设计方法。该系统能够实现变电站电缆沟的现场和远程监控、维护，对于其他场合的智能监控也具有参考价值。

关键词：云平台;电缆沟;监控系统

0 引言

变电站电缆沟位于地表下，不易观察且检修不便，往往成为变电站的安全“死角”。地沟电缆故障的发生通常为隐蔽渐进式，一旦出现事故，通常难以挽回损失，严重时还会影响到变电站的安全生产和运行。为此，设计了一种基于云平台的变电站电缆沟监控系统，可以较好地解决变电站电缆沟的监控和维护问题。

1 系统组成及各部分作用

1.1    系统组成

变电站电缆沟监控系统主要由可编程序控制器、执行器、传感器、触摸屏、交换机、云平台、智能终端等软硬件组成，系统组成框图如图1所示。

1.2    系统各部分作用

1.2.1    控制器

控制器用于監测电缆沟水位、温度、湿度、烟雾浓度等环境参数，并依据环境参数控制变电站电缆沟的防火、排水、通风等动作。控制器是变电站电缆沟控制系统的核心器件，该系统采用PLC控制器，具有数字量的输入、输出端子，用于控制现场开关量;具有模拟量的输入通道，用于输入温度等模拟量信号;具有RS485通信端子，用于和交换机的通信;具有RS422通信接口，用于和触摸屏以及编程计算机的通信，以便实现程序的上下载和程序运行状态监控。

1.2.2    执行器

执行器通过接收PLC的控制信号，去控制现场的防护动作。执行器包括接触器、电磁阀等，用于控制排水、通风电动机的启停以及灭火喷水阀门的开关，还可以用于现场开关量的自动控制。

1.2.3    传感器

传感器用于变电站电缆沟环境参数的采集，包括电缆沟内水位、温度、湿度、烟雾浓度等各种物理量。这些传感器将各种非电量变成相应的标准电量，以开关量或模拟量的形式传送给PLC，PLC通过程序控制执行器动作，或将这些物理量传送给触摸屏、云平台等。

1.2.4    触摸屏

触摸屏用于电缆沟现场环境参数的监控。触摸屏是PLC的上位机，具有多个通信接口，通过其USB接口，可以将触摸屏的组态界面及参数设置从电脑下载到触摸屏，也可以将组态界面上传到PLC中进行查看。触摸屏通过RS485接口与PLC进行通信，通过RS232接口与远程控制中心的计算机进行通信，还可以通过存储卡口进行组态界面的下载或上传。

1.2.5    交换机

该系统的交换机是一个可以将PLC中的数据信息发送到云平台的物联网云盒子。云盒子和PLC间通过RS485进行数据通信。物联网云盒子通过WAN通信端口与互联网互联，作为向云平台传送数据的通道，通过LAN口可以将云盒子配置软件所设置的信息下载至云盒子，或通过间接连接方式实现与其他器件的以太网连接。

1.2.6    云平台

云平台是一个提供网络存储和数据分析计算的软硬件服务空间。利用云平台可以进行数据的传输与存储，监控界面组态运行等，可以节省用户的软硬件成本，降低开发难度，实现网络资源共享以及短信、微信的推送。

1.2.7    摄像头

该系统中所用的摄像头是网络摄像头，用于对变电站电缆沟的现场进行实时视频监视，并将视频图像嵌入到组态监控画面中，也可以对现场情况进行视频存储。

1.2.8    智能终端

该系统的智能终端包括智能手机、PC和iPAD等设备。通过手机APP可以进行变电站电缆沟的实时监控，也可以在PC上通过登录网页，实时监控变电站电缆沟的各种物理量，还可以通过微信或短信实时推送报警信息。

2 系统工作原理

2.1    触摸屏与PLC及上位机的通信

该系统中触摸屏与PLC的通信采用RS485接口，需要使用专用的RS422—RS485通信线，因为PLC端采用的是RS422全双工的通信接口，触摸屏端采用的是RS485接口，二者需要专用的通信线。

因为PLC上RS485端要连接云交换机，RS422端要连接触摸屏，考虑到PLC上的接口限制，所以上位机与PLC的通信可以通过触摸屏上的RS485口进行。需要强调的是，PLC的变量上传到触摸屏可以用定时式资料传输方式，而从触摸屏向PLC传输位变量时不能用定时式资料传输方式，需要用触摸屏上的宏指令进行编程传输。上位机与触摸屏之间的变量传输可以用Modbus RTU协议通过RS232口进行，如果电脑上没有RS232口，则需经过RS232—USB进行转换，但是PL2303这个芯片已经停产，在连接电脑的USB口时要对驱动进行更新。

2.2    模拟量的处理

该系统中的模拟量主要指温度和液位，需要使用温度和液位传感器，将温度和液位转换成标准的0～10 V电压信号，然后传送给PLC，这就要求PLC具有模拟量输入接口，可以将标准的电压信号转换成数字量，存储在模拟量输入寄存器中，供PLC编程使用。

2.3    云平台的工程组态

（1）注册云平台账户：购买云交换设备后，可以在云平台官网申请一个账号，包括账号和密码，然后需要等待设备商的客服审核通过，之后申请的账号才会生效。

（2）创建项目：利用申请的账号输入密码登录云平台，在项目中心创建一个新项目。

（3）配置云设备：登录配置软件，添加云设备，设置网口及串口的通信参数及设备属性，在变量区右键添加变量，下载到云设备，上传到物联网云平台。

（4）通信连接：电脑网口连接云设备的LAN口，互联网线连接云设备的WAN口，这样就可以和本地电脑及互联网进行通信，从而实现远程监控和程序下载等，同时可以在云平台上的云盒子信息选项中查看云盒子的情况及是否已经与PLC设备联通，也可以在云配置软件中通过监视快捷方式进行变量的状态监控，如果PLC和云盒子通信正常，则变量后边会显示good，如果通信不成功，则变量后边会显示bad。

（5）云项目组态：进入云平台的项目中心，在设备监控中选择编辑组态，设置手机和电脑端画面即可进行项目组态，可以在项目组态画面中组态按钮、指示灯、数据量的输入、输出等元件并进行相应的变量和参数设置。

（6）手机端查看：通过扫描物联网云平台的官网二维码，可以下载云平台的手机APP并安装，或者关注物联网云平台的公众号下载微信小程序，可以进入云平台的项目中心，选中已有项目，点击数据监控，查看实时数据，也可以查看变电站电缆沟现场的视频监视画面。

（7）电脑端查看：进入到物联网云平台，通过账号和密码，登录云平台客户项目，然后在监控界面对项目进行监控。

3 系统设计

3.1    触摸屏界面组态设计

3.1.1    触摸屏系统参数设置

本机触摸屏按照触摸屏的实际型号设置。

本机PLC按照实际所用的PLC型号进行选择。

本机服务器选择Modbus server，协议选择标准Modbus RTU。

3.1.2    界面组态

（1）定时式资料传输：选中定时式资料传输元件，点击“新增”按钮，即可打开定时式资料传输属性设置对话框，正确设置属性、来源地址和目标地址，即可新增一个定时式资料传输元件，实现PLC和触摸屏之间的变量信息传输。

（2）宏指令：触摸屏的宏指令用于实现一些较为复杂的功能。在触摸屏的工具菜单中，通过宏指令进行编程，然后在元件的PLC控制中执行宏指令程序。该系统中主要应用了GetData和SetDataEx指令，其能实现PLC和触摸屏之间的位变量的读写功能，以及实现触摸屏向PLC的模拟量信息传输。

（3）界面组态：可以创建多个画面，画面之间可以进行切换，可以在画面上进行按钮、指示灯、数字量的输入和显示，以及棒图、动画、静态文本等元素的组态。

3.2    上位机的界面组态

上位机通过组态软件可以对现场设备进行实时监控。该系统采用力控组态软件，具体设置和组态方法如下：

3.2.1    组态界面设置

该组态软件与触摸屏之间通过Modbus协议进行上下位机通信，其中触摸屏是上位机，PLC是下位机。在触摸屏上添加本机服务器，PLC类型选择Modbus server，接口类型选择RS232。

在组态界面中，I/O设备组态选择标准Modbus，Modbus RTU。

在数据库组态中建立模拟I/O点和数字I/O点，并设置对应的Modbus地址。

3.2.2    界面组态

（1）新建窗口：右击窗口，点击新建窗口。

（2）放置元件：在工具箱中选择需要的基本图元和常用组件，进行变量链接和设置。

（3）组态后的界面，可以在运行环境中运行，实现变电站电缆沟的中控室集中监控。

3.3    云平台的界面组态

（1）插入背景图片：在图库-企业图库或项目图库中点击“+”，选择.png格式的图片，即可插入到界面中。

（2）设置背景色：在画布中设置背景色。

（3）插入静态文本：可对静态文本进行设置。

（4）插入動态文本：在变量控件中选择动态文本，改变对应变量的值可以显示不同的文本。

（5）历史曲线：到项目中心实时数据中收藏变量，在历史曲线中选择要显示的曲线。

（6）实时曲线：显示变量的实时变化趋势。

（7）超链接：用于链接第三方网站。

（8）水流效果：水流效果受变量控制。

（9）数码管：用于显示变量的值。

（10）设置背景色：在画布上勾选背景，选择想要的背景色，然后确定。

（11）位按钮：按下位按钮，可以实现置位、复位、取反、按0松1、按1松0等功能。

（12）字按钮：按下字按钮，可以输入不同的数值，实现变量的输入、输出。

（13）实时报警：先在配置软件中设置变量报警属性，下载到云交换机中，然后在组态画面中添加实时报警控件，设置需要的报警功能。

（14）画面跳转：在按钮中设置画面跳转。

（15）棒图：用于图示变量的值，使变量的显示更加直观形象。

（16）弹出式画面：在按钮中设置弹出式画面。

3.4    智能终端应用

3.4.1    电脑端和iPad端应用

通过账号和密码，登录物联网云平台，即可查看所创建的项目，并进行实时监控，也可以进行现场的视频监视。

3.4.2    手机端查看

在手机端可以通过微信小程序或云平台公众号的“远程监控”—“设备监控”进行项目查看。

3.4.3    微信和短信报警设置

（1）在云平台上进行设置：在云平台项目界面的信息中心设置推送信息的选项，即可实现多种信息的报警功能。

（2）在公众号上进行设置：在公众号的“远程监控”—“报警设置”进行手机号的绑定和解绑，可以设置用于接收报警信息的手机。

4 结语

变电站电缆沟监控系统是一个综合性较强的系统，运用了传感器、触摸屏、PLC、云平台、通信等多方面的知识和技术，尤其是在通信方面，运用了宏指令和Modbus协议。该系统可以实现现场的触摸屏监控，也可以实现远程的中控室控制，还可以实现电脑、手机等远程终端的监控。该系统除了用于变电站电缆沟的监控以外，还可以用于工业和民用的诸多场合，具有较高的推广应用价值。

[参考文献]

[1] 吴靓，谢珍贵.发电厂及变电站电气设备[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[2] 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 吉顺平，孙承志，路明，等.西门子PLC与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 张振国.工厂电气与PLC控制技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5] 刘小春.电气控制与PLC技术应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 廖常初.S7-300/400 PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2011.

收稿日期：2021-04-02

作者简介：史中生（1968—），男，河南新乡人，副教授，主要从事自动控制研究工作。