高校學(xué)生宿舍安全用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：為了更好地保障學(xué)生宿舍用電安全，減少用電事故的發(fā)生，利用工控技術(shù)，把PLC、觸摸屏和電參數(shù)采集模塊通過(guò)通信協(xié)議組合在一起，搭建了安全用電系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生宿舍的用電狀況、惡性發(fā)熱電器等進(jìn)行監(jiān)控和管理，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理過(guò)載、短路及惡性負(fù)載接入等異常情況，并具備用電量計(jì)量功能。

關(guān)鍵詞:安全用電；PLC；觸摸屏；惡性負(fù)載

0引言

空調(diào)、洗衣機(jī)、電熱水器等大功率用電器的使用，給我們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了極大的便利，但使用這些設(shè)備會(huì)存在大電流、發(fā)熱等問(wèn)題，特別是電吹風(fēng)、熱得快、電飯鍋等發(fā)熱設(shè)備，使用不當(dāng)很容易造成安全事故。對(duì)于人員較為集中的學(xué)生宿舍來(lái)說(shuō)，安全用電尤為重要。雖然各個(gè)學(xué)校都有相關(guān)規(guī)章制度禁止在宿舍內(nèi)使用大功率、發(fā)熱量大的用電器，但屢禁不止，用電安全事故時(shí)有發(fā)生。安全重于泰山，我們不僅僅要做好學(xué)生的用電安全教育，還要有監(jiān)督、發(fā)現(xiàn)、處理安全用電隱患的能力，把隱患消滅在萌芽狀態(tài)。本裝置就是為了保障學(xué)生宿舍用電安全而研發(fā)設(shè)計(jì)的。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)生宿舍用電設(shè)備主要為電飯鍋、熱得快、電磁爐、電吹風(fēng)等一些電熱器具，這些電器使用不當(dāng)很容易引起安全事故，引發(fā)火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。安全用電保障裝置的設(shè)計(jì)要求為:能識(shí)別大功率電器，比如800W 以上的用電器禁止使用；能夠識(shí)別小功率的電熱設(shè)備；能夠準(zhǔn)確報(bào)警切斷故障電源；能夠?qū)崟r(shí)顯示各路電壓、電流、功率等參數(shù)；能夠計(jì)量用電量。

1.1系統(tǒng)框圖

根據(jù)功能進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.2 各模塊說(shuō)明

1.2.1信息采集模塊

信息采集的主要任務(wù)是采集用電負(fù)載的電參量，包括電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。從設(shè)計(jì)成本、穩(wěn)定性等綜合考慮，選用了深圳市健思科技有限公司研制的6路互感式計(jì)量模塊，型號(hào)為JSY-MK-141。該模塊能夠監(jiān)測(cè)6路用電負(fù)載，分別完成各路電能的采集、監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸，準(zhǔn)確測(cè)量每一路的交流電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、用電量等電參數(shù)，測(cè)量精度達(dá)到0.1級(jí)，提供一路RS485通信接口，具有很高的性價(jià)比。MODBUS-RTU通信協(xié)議規(guī)約見(jiàn)表1。

表1 MODBUS-RTU規(guī)約

負(fù)載單相輸入220V、互感器檢測(cè)電流50A，模塊供電24V，符合設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。MODBUS-RTU通信規(guī)約實(shí)例:讀多路寄存器的數(shù)據(jù)，功能碼為0X03。例:主機(jī)要讀取的地址為01H、開(kāi)始地址為0048H的2個(gè)從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)。

1.2.2人機(jī)界面

人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。人機(jī)界面在本裝置中的作用有:實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、用電量、功率因數(shù)等電參量，控制處理器和信息采集模塊；在用戶違規(guī)使用電熱器具或者大功率用電器時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒管理人員。考慮人機(jī)交互的可操作性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性原則，選用步科eView ET100工業(yè)型人機(jī)界面。該屏為10.1英寸、分辨率1024×60像素的4線電阻觸摸屏，額定電壓24V，功率5.3W，并帶有節(jié)能保護(hù)功能，支持 MODBUS-RS通信規(guī)約的PLC、單片機(jī)通信，組態(tài)軟件功能，系統(tǒng)參數(shù)、固件更新、觸控校準(zhǔn)方便，性價(jià)比高。該觸摸屏通過(guò)RS232、RS485 串口分別與處理器、信息采集模塊通信，并讀取、顯示各路負(fù)載的用電參量，同時(shí)獲取屏幕的觸摸事件，把相應(yīng)的信號(hào)回傳給處理器。

1.2.3 處理器

處理器作為從機(jī)，與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，處理相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷，并根據(jù)觸摸事件信息及運(yùn)算結(jié)果控制各路負(fù)載的電源通斷。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要控制6路負(fù)載的電源，故選用三菱FX3SA-20MT作為處理器。該處理器集CPU、電源、輸入輸出為一體，工作可靠，性價(jià)比高。

1.2.4 開(kāi)關(guān)電源模塊

根據(jù)各模塊設(shè)備的用電參數(shù)，信息采集器供電電源為9～24V、觸摸屏和處理器PLC供電電源均為24V。市場(chǎng)上有大量的開(kāi)關(guān)電源，技術(shù)很成熟，不需自己開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。考慮到各模塊的功耗都不大，故選用24V、25W的開(kāi)關(guān)電源。

2系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)接線圖如圖2所示。受通信端口限制，需自制通信線纜。由于PLC每個(gè)端口只能通過(guò)2A電流，且頻繁通斷負(fù)載電源容易損壞PLC端口，故在PLC輸出端口擴(kuò)展了繼電器模塊。

圖2 系統(tǒng)接線圖

3工作原理及過(guò)程

3.1 監(jiān)控模式

數(shù)據(jù)采集模塊采集電參量(電壓、電流、用電量、功率)，觸摸屏通過(guò)RS485 串口與之通信，以MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)格式讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS232串口與PLC通信，通過(guò)運(yùn)算找到相應(yīng)數(shù)據(jù)，送至對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，由觸摸屏實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。宿舍管理員就可以知道宿舍的用電情況，并在觸摸屏上操作，斷開(kāi)或接通學(xué)生宿舍的電源。

3.2惡性負(fù)載的識(shí)別

該裝置需要識(shí)別大功率電器和發(fā)熱電器這類惡性負(fù)載。當(dāng)檢測(cè)到惡性負(fù)載時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)給予斷電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再送電，并再次檢測(cè)惡性負(fù)載是否存在。若該宿舍發(fā)現(xiàn)3 次使用惡性負(fù)載，則斷開(kāi)電源并記錄事件、報(bào)警。斷電后，只有通過(guò)宿舍管理員才能恢復(fù)供電。

3.2.1大功率負(fù)載的識(shí)別

宿舍中常用的大功率用電器有電水壺、電飯鍋(800W以上的)、熱得快等。為發(fā)現(xiàn)這些大功率電器，只需在觸摸屏中設(shè)置該線路的功率、電流(發(fā)生短路時(shí)電流急劇增加)，把該數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中。當(dāng)某一宿舍功率、電流超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)切斷對(duì)應(yīng)線路的電源，并更新觸摸屏頁(yè)面監(jiān)控狀態(tài)。宿舍管理員通過(guò)屏幕就能知道哪個(gè)宿舍在使用大功率電器，可以迅速趕往事故點(diǎn)進(jìn)行評(píng)批教育。

3.2.2小功率發(fā)熱器件的識(shí)別

對(duì)于一些小功率發(fā)熱用電器，如電吹風(fēng)、電熱毯、電烙鐵、小功率電飯鍋等，如果使用不當(dāng)(比如忘記關(guān)電吹風(fēng)、電熱毯等)，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱也會(huì)引起火災(zāi)等重大安全事故，因此對(duì)這些小功率電器也不能忽視。我們對(duì)部分電器的電參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，詳見(jiàn)表2。

表2部分電器電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)于大功率惡性負(fù)載，從功率上很容易發(fā)現(xiàn)處理。對(duì)于小功率的發(fā)熱電器，如電吹風(fēng)(高擋)、小功率的電飯鍋、電熱毯等，它們工作時(shí)功率因數(shù)都很高，差不多為1，我們只需要根據(jù)功率因數(shù)就可以判別。而電吹風(fēng)(低擋)工作時(shí)，功率為121W，功率因數(shù)為0.815；臺(tái)式電腦功率因數(shù)為0. 89左右，每增加1臺(tái)電腦時(shí)，功率增加60W，功率因數(shù)基本不變。只按照功率因數(shù)判斷，容易誤判臺(tái)式電腦為惡性負(fù)載。解決方法:設(shè)定功率單次增加80W 以上(電吹風(fēng)低檔位)，同時(shí)功率因數(shù)大于0.8為惡性負(fù)載;功率單次增加小于80W(臺(tái)式電腦)，同時(shí)功率因數(shù)大于0.93為惡性負(fù)載。通過(guò)這樣的程序設(shè)置，就可以把臺(tái)式電腦和電吹風(fēng)(低擋)區(qū)分開(kāi)來(lái)。實(shí)驗(yàn)證明該方法可靠可行。

3.3 用電量計(jì)量功能

采集系統(tǒng)采集線路中的用電量信息并存儲(chǔ)于內(nèi)存，PLC讀取該信息，并將用電量累加，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，每個(gè)月的用電量乘以單價(jià)，就是宿舍的電費(fèi)。可以采用預(yù)繳模式，通過(guò)觸摸屏把宿舍預(yù)存電量輸入系統(tǒng)，預(yù)存的用電量與實(shí)時(shí)的用電量進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)相減為0時(shí)，自動(dòng)切斷電源，并顯示出是哪個(gè)宿舍，提醒宿舍人員繳費(fèi)。

4 制作測(cè)試步驟

（1）按接線圖搭建硬件電路，并通電測(cè)試觸摸屏、PLC、采集器供電是否正常，若不正常，用萬(wàn)用表逐步檢查，直至排除故障。

（2）利用組態(tài)軟件，對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)、編輯，設(shè)置相應(yīng)的開(kāi)關(guān)、文本屬性，無(wú)誤后下載到觸摸屏中(組態(tài)方法見(jiàn)使用手冊(cè))。

（3）觸摸屏與采集器通信測(cè)試，設(shè)置通信端口，編寫相關(guān)程序，讀取采集器數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理，顯示出來(lái)。

（4）觸摸屏與PLC通信測(cè)試，編寫PLC程序，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)，完成相關(guān)的功能測(cè)試。

5安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)

5.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

5.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
  本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過(guò)小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

5.3 產(chǎn)品選型

6結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)方案，通過(guò)實(shí)物試制、測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并具有以下特點(diǎn):簡(jiǎn)潔性:不用復(fù)雜的布線方式，不用每個(gè)宿舍都安裝一個(gè)電表，一個(gè)采集器可以采集多個(gè)宿舍的用電情況，節(jié)約成本，節(jié)省安裝空間，易于集中管理控制。智能性:普通電表出現(xiàn)過(guò)載、短路現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)燒毀熔斷器或者發(fā)生其他安全事故。本方案可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷電源，同時(shí)報(bào)警提醒宿舍管理員對(duì)相關(guān)宿舍人員進(jìn)行批評(píng)教育。多功能性:具備電表的用電量計(jì)量功能，并能算出實(shí)際用電費(fèi)用。系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)預(yù)繳電費(fèi)，并按用電量自動(dòng)扣減，當(dāng)剩余用電量等于0度時(shí)，自動(dòng)切斷電源。相對(duì)于買卡充電，成本低，管理容易。該系統(tǒng)不需要復(fù)雜的技術(shù)支持，讀電、充電、斷電操作簡(jiǎn)單便捷。隨著生活水平的提高，很多宿舍都安裝了空調(diào)，空調(diào)都采用單獨(dú)布線，專線控制，集中管理。若要對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制及計(jì)費(fèi)，該系統(tǒng)也是可行的，只需設(shè)定功率范圍，即可進(jìn)行控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]苗鵬，陳燕鳳，謝文波.學(xué)生宿舍安全用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

[2]朱向東，石劍榮．學(xué)生宿舍火災(zāi)事故樹(shù)分析［J］．安全與環(huán)境工程，2009，16(1):78－80.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06