某工厂供配电系统运行状态监测系统设计.doc

学号：

常 州 大 学
毕业设计（论文）
（2012届）

题 目 某工厂供配电系统运行状态监测系统设计

学 生
学 院 专业班级
校内指导教师 专业技术职务
校外指导老师 专业技术职务

二○一二年六月

某工厂供配电系统运行状态监测系统设计

摘要：随着电力网络智能化程度的提高，智能企业变配电的自动化系统提上了议事日程。计算机技术在变配电自动化中的应用，使得变配电自动化程度大大提高。企业变配电自动化程度的提高可以提高供配电的可靠性与安全性，方便了企业工作人员的工作。
本文以工厂供配电自动化监控系统为研究对象，采用VB技术、单片机信号采集技术，设计了一个监控平台，实现了监控系统的基本要求，能够监控工厂供配电网络的运行情况，实现用户管理、数据显示、报警系统等功能。
工厂供配电监控系统的主要设计内容是：
(1) 系统主接线。清晰明了地显示系统的变压器、电容器、馈线的一些技术数据。
(2) 数据显示。显示供配电网的断路器状态，用电设备的状态。
(3) 报警系统。当变配电网参数发生较大变化及主变发生异常时，产生报警信息，提示用户。
(4) 用户管理。可以实现用户密码登录。用户的权限受到严格的管理。
该监控系统直观、简便地实现了工厂监控系统的自动化管理，满足了系统安全性、实时性的要求。应用前景广阔。
关键词：VB技术；信号采集技术；监控系统

I

Design of monitoring system for function of power supply and distribution in factory

Abstract：As the electric power network intelligent degree rise, intelligence enterprise change of power distribution automation system has been put on the agenda. Computer technology in the change of the application of the power distribution automation, make change distribution automation degree is greatly increased.The improvement in the level of power automation can improve power supply reliability and security and makes life convenient.
This design in the factory for distribution automation control system as the research object, using VB technology and single-chip microcomputer signal collection technology, design of a monitoring system, realize the basic requirements of the monitoring system, can monitor factories for distribution network movement situation, realize user management, data shows, alarm system, and other functions.
The main contents of the power automatic monitoring system are as follows:
(1) The main network system can display some technical data clearly of transformers, capacitors, feeders, and the control cabinets in the system.
(2) The automatic monitoring system can display Circuit breaker, Electric equipment state and other data of the electricity network.
(3) When the electricity network parameters are changed greatly and when the
transformers are abnormal the alarm information is generated to tell the users.
(4) In the user management module you are allowed to add users, change your password and permission. The user’s permission is strictly managed.
The monitoring system is intuitive and easily automate the management of the plant monitoring system to meet the requirements of the system security, real-time，and has a bright future.
Keywords: VB; signal collection technology;monitoring system
II

目 录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目录 Ⅲ
1 引言 1
1.1 课题的意义 1
1.2 国内外研究现状 1
2 监控系统框架模型 3
2.1 监控系统整体方案 3
2.2 监控中心 4
2.3 监控子站 5
3 监控系统通信方案 6
3.1 监控系统通信网络拓扑结构分析 6
3.2 监控系统通信方式分类及选择 8
3.3 监控系统信息的采集 12
4 系统的硬件设计 14
4.1硬件结构 14
4.2下位机信号采集模块 14
4.2.1 断路器状态采集 14
4.2.1 STC89C52RC处理器 15
4.2.2 按键模块 17
4.3 通信模块 19
4.3.1 PL2303芯片的介绍 20
4.3.2 通信接口电路的设计 21
5 系统的软件设计 22
5.1下位机的软件设计 22
5.1.1 下位机软件的设想 22
5.1.2 下位机软件的流程图 22
5.2 上位机的软件设计 25
5.2.1 上位机软件的设想 25
5.2.2 上位机的串口通信 25
5.2.3 上位机的图形界面 27
6 结论与展望 31
6.1 结论 31
6.2 展望 31
参考文献 32
致谢 33
附录A 34
III

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1 引言
电力是国民经济的基础，它为现代工业、农业以及人们的日常生活提供必不可少的能量。随着社会的进步，生产和生活对电能的供应要求越来越高，供电事故有可能造成重大的经济损失和人员伤亡。因此设计一个工厂供配电运行状态的计算机监测系统对企业具有重要意义。通过对此次设计能掌握一些基本的供配电设计方法和要求以及供配电系统的安全保护措施，因此还具有很好的锻炼意义。
近几年，一些地区发生电网事故导致重要用户停电，其主要原因是：电网结构薄弱、可靠性低、自动化程度低以及管理不善[1]。加强电网建设、配电网建设，强化输电网是当务之急。因此，对供配电系统设备的改造和实现供配电自动化成为亟待解决的问题。
随着大型供配电站的发展，智能工厂的兴起，以及工业自动化水平的提高，智能化供配电系统需求量必将大大增加。从国内外产品来看，智能型供配电系统将会向着以下几个方面发展：功能更强，可靠性更高，系统更完善。
随着单片机技术的不断完善，监控技术的不断发展，以及其他相关技术的不断进步，智能化供配电系统将会向着更智能，更快捷，更人性化的方向发展。
因此，供配电监控系统必将走向供配电的综合自动化：功能上的综合化、运行管理的智能化、结构上的计算机化、操作监视的屏幕化。供配电系统的综合自动化同智能楼宇系统(BAs)、企业资源计划(ERP)融合在一起，达到良好管理，这已成为一种必然的趋势和发展方向[2]。
1.1 课题的意义
① 提高工厂供配电的经济性
工厂供配电监控系统可以实时监控供配电的运行状态，及时调整、优化工厂变配电网的运行方式，从而降低整个电网上的线损，提高工厂供电的经济性。
② 提高工厂供配电的可靠性
如果在工厂供配电中某处出现故障，监控系统可以及时检测出故障位置，并将故障部分隔离，然后迅速恢复非故障区域的供电。监控系统迅速及时的反应有 效缩短了工厂的停电时间，提高了工厂供配电的可靠性。
③ 提高了工厂车间使用电压的质量
工厂供配电监控系统通过对车间内的电网进行实时监控，能够对车间电网电压进行有效控制，使得关键区域的电网电压维持在期望的范围内，从而提供给车间稳定、良好的电压，提高了车间所使用电压的质量。
④ 降低了工作人员的劳动强度
工厂供配电监控系统的采用，有效的降低了工作人员的劳动强度，并且极大地提高了工厂的管理水平和服务质量。
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1.2 国内外研究现状
从上个世纪八十年代开始，西方发达国家和亚洲的日韩国家已经开始形成了
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智能化的配电网。这种配电网监控系统集成了终端用户负荷控制、远程抄表、 电容器投切、开闭所自动化及馈线开关控制等多达上百种的功能。这种先进的监控系统中大量采用了数字计算机、通信设备与远端监控设备，这极大的有利于实现设备间的联网与设备的远方操控[3]。但是，从实际使用情况来看，通信系统均是由多种通信方式和通信技术组成，来满足不同通信层次的需求。目前，这些国家花大力气在研究专家系统和高仿真培训系统。这些系统具有优化系统负荷分配、充分利用变压器容量、降低系统有功损耗、管理系统用户等功能。
随着配电网自动化程度的提高，与之相配套的智能工厂供配电监控系统开发也迫在眉睫。就在智能化配电网形成的同一个时代，一些知名的公司像西门子、 ABB等都推出了自己的智能开关柜产品，并在当时很流行[4]。由于新产品的特色和优势，在很多场合已经开始广泛应用，如大型的体育馆、高档的办公大楼、商业中心等。虽然这些产品的性能较佳，较当时的其他产品优越，但是价格相对昂贵，在我国大面积的推广使用，还是相当的困难。
过去很长的时间内，我国配电网一直相对落后，主要表现在以下一些方面，如设备陈旧落后、供电可靠性低，网络混乱、维护维修工作量大等。上个世纪九十年代，国内才能实现变电所的“四遥”功能，先进的配电网自动化的形成是最近几年来才迅速发展起来的。我国智能工厂供配电的监控系统起步就更晚，目前尚处于初步阶段。上个世纪九十年代，我国的工厂供配电系统仍采用人工的方式，但是在一些由国外设计的工厂开始使用智能监控的供配电系统。在当时出台相关的文件后，地方政府开始重视智能工厂的建设。在设计一些重大的项目时，也逐渐考虑和加入智能化的变配电系统。在国内，工厂供配电监控系统出现之前已经存在基于工业计算机的配电监测系统。这种系统能够采集到电流、电压等参数，开关状态等信息，也可以将多台工业计算机连接形成局域网。但是这种系统稳定性与可靠性差强人意，也不能够远传操作。可以说，功能有限，局限性大。可见，开发一种更高级的工厂供配电监控系统是一种现实需要。随着这几年网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，我国配电监控系统由过去的单机监控过渡到网络监控己成为必然，这样监控的地域将从城市的一处扩展到多处，从一个城市扩展到多个城市。通过此系统，使管理人员能够监管更多的设备，监视的范围更宽、监视点更多。从而提高了工作效率和经济效益。但是，同世界先进水平相比还有较大差距，诸多地方需要改进与完善。所以，我国供配电网监控系统在吸取国外经验的基础上正朝着一体化、集成化、开放化的方向发展[5]。

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2 监控系统框架模型
早期的控制系统主要是对工业生产的现场进行的监控。由于当时技术和生产规模的限制，只能是在工作现场安装具有简单监控功能的基地式仪表。仪表信号仅在仪表内起作用，各测控点处于封闭状态，无法相互沟通信息，需要操作人员通过对现场的巡视了解系统的运行状态。然而随着生产规模的不断扩大，为了实现系统监测，需要获得更多的运行参数和信息，测控点的位置也具有分散分布的趋势。上述的简单控制系统变得无法满足实际的控制需求。为了应对被监控系统的这种变化趋势，或者处理监控现场位于危险环境和难以到达的区域的情况，人们发明了电动、气动系列的单元组合式仪表，并设计了集中控制室。统一的模拟信号，比如电流、电压或气压信号被送往集中控制室，然后在控制盘上连接起来。采用这种技术可以按实际需要组合出复杂的控制系统。
然而，模拟信号需要一对一的物理连接，而且容易受到干扰。依靠模拟信号的传递难以满足在速度和精度方面的控制要求，于是数字信号取代了模拟信号的位置。随着计算机技术的发展及其在控制系统中的应用，控制系统也由集中式控制系统发展到集散式控制系统，再发展到分散分布的现场总线控制系统，并继续发展至今[6]。
远程监控技术，就是本地计算机借助各种网络途径，由现场结点将选定观测的数据传输至主控中心；通过分析和处理这些数据和历史数据的存档，推测出工作现场当前的状态，并根据情况进行相应处理，从而实现对工作现场环境的监视与控制实现远程监控技术的计算机软、硬件系统称为远程监控系统。由于能够胜任对于恶劣现场环境中的现场设备的监控，或对分散的现场结点实现无人监控，远程监控系统取得了广泛的应用。
2.1 监控系统整体方案
监控系统分为3层，即监控中心层、监控子站层和监控设备层。
监控中心处于整个监控系统的最高层，负责显示图形、数据、管理设备，打印报表等，并且能够远程调控可控设备，完成对下属变电站的管理及与其他系统的信息交互功能。
监控子站是整个监控系统的中间管理层，负责管理开关及终端监控设备，起到了数据集中器的功能。同事能够将各种现场信息上传给监控中心，并接收监控中心的指令，下达给配电终端完成相应的动作。监控子站还能够诊断所辖区域故障并在故障发生后将故障区域与非故障区域隔离。
监控设备层是第3层，位于设备现场，主要完成线路数字量与模拟量的采集，线路实时数据的显示，线路历史数据的记录与存储，并提供故障报警功能，过流、过载等多种保护功能，时钟功能及通讯功能等。图2.1显示了监控系统的整体框架。

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图2.1 监控系统整体框架
2.2 监控中心
监控中心是整个变配电监控系统信息处理的核心，采用双主机热备用和双以太网冗余的结构。中心站快速收发和处理数据，并且将数据及时写入数据库，用于保存。中心站中的工作站和服务器可以共享同一个数据库。监控中心通过优化的网络，集中、管理、分析、处理数据，提高了电网供电的可靠性与电能质量，提高了管理水平，减少了损失。图2.2显示了监控中心的网络组成结构。

图2.2 配电调度中心站的网络组成结构
站中主要部分功能如下：
(1) 应用服务器：终端用户与数据库联系的中间件，其能够更好的控制
监控系统中心的数据流及为系统中数据的通信提供安全保障。
(2) 数据服务器：存放由监控子站上传的所有数据及控制指令，为用户
应用程序的运行提供数据访问。
(3) WEB服务器：主要功能是提供实时数据、历史数据及实时历史曲线
的网上信息浏览服务。
(4) 监控工作站：显示监控系统中各个组成部分的运行情况，实际上是
一种用于实时监控的人机界面。
(5) 工程师站：可以操作数据库，组态各个控制环节，维护系统服务。
(6) 前置通信系统：包括前置主机，备前置主机，前置通讯柜。前置通讯柜起到变配电房与监控中心的桥梁作用，为下传指令和上传数据的汇集点。前置主机为数据库提供实时的数据。备前置主机与前置主机完成热备双主机功能。
监控中心为管理工厂配电网的数据信息提供了一个便利的平台。正常情况下，监控中心站能够完成配电SCADA功能，主要是数据采集，数据处理，数据显示，远传控制等功能。图形维护可以完成主干电网图，变电站接线图等资料的管理。继电保护的数据位专业人员进行继电保护的计算提供一个依据。当发生故障时，监控中心能够完成故障诊断与故障记录，并提供报警信号，分断故障区域。所有数据都会存入数据库，以备查询、分析使用。
2.3 监控子站
监控子站联系监控中心与终端设备，因而子站系统的功能和性能不仅要满足要求，而且稳定性和可靠性也要足够的高。此外，子站在使用中会不断的介入各种终端设备，因而要求子站还有强的可维护性和可扩充性。监控子站的响应时间、最大配置数(遥控、遥测、遥信)、信道数目都有严格要求，从而保证监控系统安全、稳定的运行。
监控子站的功能有二：一是监控子站所接配电终端、变电站、开闭所的数量从几十到上百不等，需要处理的信息量、数据量达到成千上百，这些信息能够在秒级内进行处理，并且上传到监控中心，同时转发中心主站的命令到各个终端；二是完成所辖区域的故障定位，并且及时的处理故障。

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3 监控系统通信方案介绍
3.1 监控系统通信网络拓扑结构分析
通信网络的拓扑结构讨论网络系统的连接形式，已经抛开了通信网络的物理连接。在通信网络中，各个子站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。通信网络拓扑的结构主要有星型结构、环形结构、总线型结构、分布式结构等。
星型拓扑结构是指各网络中的工作站的连接形式像星型一样，全网有一个中心节点，其他节点与中心节点相连构成网络。因而中心节点的信息处理负担很重，其它节点的信息处理负担较轻。可以说，这也是一种集中式网络[6]。
星型拓扑结构有一些优缺点，现在分析如下，主要优点是：
1.控制形式较其它方式简单。
2.诊断故障容易及隔离故障容易。单个连接点的故障只会影响到一个单独的设备，不会牵连全网。
3.中央节点可以轻松、方便地对其他站点提供服务和网络重新配置。
4.通信网络信息传输延迟时间较小，传输过程误差较低。
星型网络拓扑结构的主要缺点是：
1.一次性投入成本高，安装、维护的工作量大。
2.中央节点信息处理负担过重，一旦中央节点出现问题，全网的通讯都会受到影响，因而系统的可靠性较低。
3.各个站点的资源共享能力较低。

图3.1 星型拓扑结构示意图
通信网络环形拓扑结构中，所有节点的首尾相连，形成一个数据流沿着一个方向传输的闭合的环。环形拓扑结构特点：数据流在网络环中沿固定方向流动，所有节点间只有一条传输通道，控制路径选择容易；当网络环中节点数量过大时，数据流在串行传送的过程中，传输速率就会下降，导致整个通信系统的响应时间增长；环形网络是一个封闭着的网络，扩充时困难较大；子节点发生故障，整个网络就会出现瘫痪，使得系统的可靠性降低。

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图3.2 环形拓扑结构示意图
通信网络总线拓扑结构中各子站和所有服务器都挂接在一条预先设置的总线上，总线上各个设备的地位相等，无中心节点，数据流从挂接设备上传送到总线上。总线上的每个设备都有相应的地址，系统通过总线传送数据时，先传送地址，找到相关设备，再传送数据。总线拓扑结构特点：系统结构相对简单，再扩充设备与扩充总线容易；一次投入少，安装方便；系统可靠性高。缺点是挂接设备出现故障时，难于查找。

图3.3 总线型拓扑结构示意图
通信系统分布式拓扑结构能够将相隔较远的、不同地点的通信设备相连接起
来。这种通信网络形式采用的是分散局部控制，当某个子路发生故障时，不会影响到全网的运行，所以可靠性高；网中的子节点传输数据时选择最短路径，传输时间短，速率快。缺点是一次性投入高，相应的管理软件复杂。

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图3.4 分布式拓扑结构示意图
此外，还有一些拓扑结构如树型、网状、蜂窝状等，但在此类系统中所用不
多，不再详细说明。
3.2 监控系统通信方式分类及选择
1．RS-422A，RS-485
RS-422A标准是一种两端发送和两端接收的平衡传输的标准。RS-422A标准采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。当线电压差低于200mV时就表示逻辑1，当线电压差高于200mV时表示逻辑0。RS-422A标准的电路一般由驱动器，平衡电缆，终端负载及接收器组成。发送数据时，由平衡驱动器将电平转换成电位差，完成信息发送；接收器又能够将电位差还原成逻辑电平，实现信息接收。该标准采用双线传输，因而抗共模干扰的能力强，最大传输速率可以达到10Mb/s，传输速率较小时，最大传输距离可以达到1200M。
RS-485标准与RS-422A标准兼容，且扩展了RS-422A标准的功能。RS-485标准不再像RS-422A标准一样只有一个发送器，而是可以拥有多个发送器，而且允许一个发送器去驱动多个设备，这些设备可以是发送器，也可以是接收器，还可以是收发器的组合。这些设备可以挂接在平衡传输线上的任意位置。RS-485标准的特点是：抗干扰能力强，数据传输速率快，同时传输距离较远，在平衡电缆上可以挂接多个负载设备来实现多点之间的通信。
在较小的范围内，终端设备大多采用RS-485标准与保护微机相连，从而实现微机保护与自动化装置间的通信和数据交互，提高了数据采集与传输效率，避免了大量的接线，使监控系统可靠性增强。
2．现场总线
现场总线是上个世纪八十年代中后期随着通信、计算机、模块化集成和控制
等技术的发展而逐渐出现的一门新兴的技术，代表着工业自动化领域的最新阶段
与最新成果。目前世界上现场总线的数量达到40多种。IEC对现场总线一词的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双串行、多节点的数字通信的技术。
现场总线是一种可进行全方位非模拟、双向进行、多子站总线式的数字通信、
数据操作、数据共享，用于智能化的现场设备与自动化控制系统之间的一个标准
化的全数字式通信链路。现场总线完成的主要工作是控制、发出报警和报告事件
等。现场总线通信协议有最基本的要求，即响应速度要快，操作的可预测性要最
优化。现场总线是一个较低层次的网络协议，在现场总线之上还允许有较高级的
监控与管理网络。由于现场总线的应用，智能现场仪表拥有了一个开放的平台，
智能仪表得到广泛的使用。现场总线控制系统FCS是继DCS后的又一代控制系
统。
现场总线控制系统FCS具有的优势：
(1) 开放性

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一个现场总线系统可以与任何遵守相同标准的其他设备或者系统相连，用户
具有了系统集成的权利，可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大
小随意的系统。
(2) 互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，
一点对多点的数字通信。互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
(3) 现场设备的智能化
它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，
仅仅依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状
态。
(4) 系统结构的高度分散性
由于现场设备本身已经可以完成自动控制的基本功能，使得现场总线已经构
成一种新的全分布式控制系统的体系结构。这从根本上改变了现有DCS集中与
分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
(5) 对现场环境的适应性
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为在现场环境
工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，
具有较强抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全防爆要求等。
现场的以上特点使得控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行以及检修
维护，都体现出优越性，如下：节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，节约
了维护开销，用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性。
现场总线技术也有一些局限性，如通信能力不足，没有统一的标准，开放性差等。
目前，国际上典型的现场总线技术主要有：基金会现场总线FF，PROFIBUS，
CAN，DeviceNet，LonWorks，ControlNet等。
3．以太网
能安全、正常用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网，但是按照国际电工委员会的定义可以分为工业以太网和实时以太网。
工业以太网IE是用于工业自动化领域，符合IEEE802.3标准、按照IEEE802.1D“媒体访问控制(MAC)网桥”规范和IEEE802.1Q“局域网虚拟网桥”规范、对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。实时以太网 RTE 是指不改变ISO/IEC8802-3的通信特征、相关网络组件或IEC1588的总体行为，但可以在一定程度上进行修改，使之满足实时行为(实时性即确定性通信、现场设备之间的时间同步行为，充分、频繁的长度较短的数据交换)，常采用实时应用层协议、优化处理数据传送和提供旁路实时通道、集中调度等技术实现实时性要求。在使用中，均不对这两者严格区分，统称为工业以太网。
工业以太网具有广泛的优点：
(1) 应用广泛。几乎所有的编程语言(如 Java，Visual C++及Visual Basic

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等)都支持Ethernet的应用开发。
(2) 成本低廉。
(3) 通信速率高。100M/s的快速以太网已经广泛使用，1000M/s的以太网
技术也逐渐成熟。
(4) 软硬件资源丰富。
(5) 可持续发展潜力大。以太网的广泛使用使得它的发展一直受到广泛的
重视和吸引了大量的技术投入。
(6) 易于与Internet连接。能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。
由于以太网的各种优势，目前它在工业企业综合自动化系统中，同时在变配
电网的资源管理层、执行层等得到了广泛的应用，并呈现向下延伸直接应用于工
业控制现场的趋势。在变配电网监控系统中的监控中心层采用工业以太网是很好
的选择。工业以太网是未来自动化监控系统的发展方向。
4．比较选择合适的通信方式
表3.1中列出了各种通信方式的特点，经比较可以发现不同通信方式各有优
缺点。在不同的技术参数和环境要求下，可以采用上述不同的通信方式。
表3.1 各种通信方式比较
通信方式
RS-422
RS-485
现场总线
以太网
最大驱动器数目/接收器数目(个)
1/10
32/32
110
1024
电缆长度(M)
1200(90KBPS)
1200(100KBPS)
5000
100-500
最大速率(MBPS)
10
10
1
10-100
监控系统内数据传输有严格的国际标准要求：终端设备层、监控子站相互间为1-100mS；监控子站与变电站之间10-1000mS；变电站、监控中心相互间为大于等于1000mS。在一些中小型变电网络中，串口通信RS-422A/RS-485也都能够满足要求，但是这种总线网络节点数目有限，在扩展时及多种冗余中达不到要求。现场总线是一种可以在设备间实行双串行、多节点的数字通信的技术，可以全网广播式的传送数据。因而在中型的变电网络中得到广泛的应用，实际中使用较多的是CAN网和Lonworks网。在220KV以上的变电站中，数据量更加庞大，系统间的数据通信有更高的要求，总线网络显然不能够满足上述要求，所以采用以太网是一个理想的选择。

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3.3 监控系统信息的采集
当前的中小企业基本上均己建立了可能不同结构不同层次的局域网络与广域网络环境。采用标准的TCP/IP以太网构成局域网，中央站与工作站为服务器/客户机结构，通过以太网及相应的通讯接口实现中央站、工作站，及第三方设备、相关子系统间的数据通信，资源共享和综合管理功能。它综合运用计算机技术、网络技术、传感及控制等技术来实现设备的监视与控制，将从现场采集的开关信号以及多种传感器信号通过局域网传递到现场监控服务器进行处理，并将信息发布，以实现设备的远程监视，并为设备的远程控制提供信息基础。建立远程监控系统时首先要面对的技术难题是：制造现场各种设备以何种方式接入局域网，以何种方式与中央服务器进行通信。因此首先必须建立起一个标准化、即插即用、可扩展、实时的车间设备局域网，构建远程监控系统的信息采集和远程控制平台，为实现远程监控系统奠定关键基础。按照监控网络化目标需求，可以将监控始端设备及生产线按大类划分三个方面。
(1) 基于Internet的设备
由于网络技术的广泛应用，近年来所应用的设备许多是基于Internet而开发设计的设备，指具有独立IP地址的设备。基于Internet的设备均已IP化，可以直接实现网络接入互联，监控中央服务器只需通过访问设备对应的IP地址即可进行双向的数据交换。
(2) 基于PC的设备
这些设备具有独立的通信接口如RS-232-C串行接口或其它串/并行接口， 可以直接与PC机相连进行通信。可以通过给基于PC的设备配备相应的上位机，这样基于PC的设备可直接通过其通信接口与现场局域网内的某台PC机相连，再通过PC机与中央服务器建立通信；
(3)无法直接实现联网的设备
然而由于中小企业的资源能力不同，其应用设备的设计和生产时代不同，也有许多企业仍然使用着无法实现直接联网的设备，指不具备(1)(2)条件的其它设备。对于这些无法实现直接联网功能的设备，可以通过设计单片机采集模块接口电路和单片机控制模块接口电路，构成设备的数据采集接口、控制接口以及通信接口，由单片机模块通过RS-232-C或RS-485串行接口与上位机(PC机或串口设备联网服务器)连接，实现联网。

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图3.5 监控系统信息采集结构图
从图3.5可知，通过信息采集和远程控制平台，中央服务器可对现场生产信息、设备和设备的环境图像信息进行有效集成，在Internet发布。客户端通过浏览器和相应的权限就可以访问远程监控系统，实现对生产线进行远程监视、检测和控制。
远程监控系统信息采集和远程控制平台中，基于Internet的设备和可直接配备上位机实现联网的基于PC的设备没有太多的改造工作，基本上就可直接实现联网，从而接入远程监控系统中。对于无法实现直接联网设备，利用单片机模块构成设备采集接口、控制接口、通信接口。它通过配备相应的上位机，开发和集成具备TCP/IP协议的设备单元，从而建立可“即插即用”的车间设备网络，使整个系统以企业局域网网络框架。单片机模块的方式仅与车间现场设备外部输入输出接口相关，不涉及对车间现场设备的内部线路和程序的修改，不影响车间现场设备的正常运转，不打断车间现场生产线的流水作业，即插即用、开发简单、操作灵活、扩展性好，满足系统整体框架体系要求。单片机采集和控制模块结构图如图3.6所示。

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图3. 6 单片机采集和控制模块结构图
图3.6中，单片机在RS-232C或RS-485串行通信方式下，通过上位机接收中央监控服务器网上发布的指令，或输出模拟开关量实现对设备控制单元等执行器的远程控制；或采集设备和传感器传来的模拟量和数字量，通过上位机发送到中央监控服务器，实现现场信息采集。
单片机和PC机间采用RS-232C串行通信时，因为单片机采用TTL电平，而RS-232接口的电气特性为负逻辑电平，即：逻辑“1”对应-5~-15V，逻辑“0”对应+5~+15V，故需要用专用RS-232C电平转换芯片(如MAX232)实现TTL电平和RS-232C标准电平之间的转换。但RS-232C串行通信的传输距离和速率比较有限，其传输距离实际上最多只能达50米左右，而全双工异步传输速率最大值只能达20Kbps，故在需要提高传输距离和速率的情况下可选用485收发器(如MAX485)采用RS-485串行通信方式进行通信。RS-485接口电平与TTL电平兼容，并且传输时采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，最高数据传输速率可达10Mbps。对无法实现直接联网设备，采用RS-485通信方式，利用RS-485串口设备联网服务器作为上位机的信息采集和远程控制平台的总体结构图如图3.7所示，其中RS-485串口设备联网服务器可将单片机模块转换成具备TCP/IP协议的设备单元，实现“立即”联网。

图3.7 无法直接联网设备的信号采集结构图

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常州大学本科生毕业设计（论文）
4 系统的硬件设计
根据上面两章对实际当中远程监控系统的具体介绍，对于自行设计的工厂供配电的设计过程有了一定的了解。本章对设计的监控系统的下位机部分进行详细的介绍。系统下位机的功能是由硬件电路配合软件来共同实现的，本设计的硬件主要单片机信号采集部分、通讯模块等组成。下面就对本系统下位机硬件模块进行详细分析。
4.1 硬件结构
本监控系统的硬件组成部件有：PC上位机、PL2303 USB转TTL串口通信模块、单片机信号采集模块，系统硬件结构如下图4.1所示。

图4.1 系统硬件结构图
4.2 下位机信号采集模块
4.2.1 断路器状态采集
在实际的断路器状态监测系统中，断路器的状态采集应选择合理的以及先进传感器，盲目采用过多的传感器既不现实也不经济，所以特征的提取是断路器状态监测的首要环节。
1. 分合闸线圈电流波形
分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，电流波形中蕴含丰富的信息。图4.2所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流，T0为分合命令到达时刻，T1为铁芯开始运行时刻，T2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻，T3可视作开关辅助a接点断开线圈电路时刻。

图4.2 分合闸线圈电流波形
2. 断路器开断过程的时间行程特性曲线
断路器的时间行程特性曲线中蕴含多种信息，包括分合闸时间、同期性、速度以及行程信号等。这