CN109842212A - 一种基于arm的开关柜智能监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于ARM的开关柜智能监控装置，该装置以ARM微控制器为核心，包括凝露控制模块、无线测温模块、人机交互模块等***电路，同时在嵌入式操作***平台上开发了各功能模块的应用程序。开关柜智能监控装置以ARM嵌入式微处理器作为核心控制单元，通过自动检测环境温度、湿度、开关柜内部温度、断路器触头、母线、电缆接头处温度、断路器和接地开关开合状态、带电状态等输入信息，识别是否存在局部温升，进而判断是否存在安全隐患；根据柜体内外温湿度值，确定是否进行加热除湿操作；采用LED图形指示断路器和接地开关状态、开关储能状态、带电状态，并通过LCD显示器显示温湿度及电参数等信息；通过RS485与上位机通讯，实现了就地控制和远程控制。

Description

一种基于ARM的开关柜智能监控装置

技术领域

本发明属于电力***领域，特别涉及一种基于ARM的开关柜智能监控装置。

背景技术

随着智能电网的发展，传感、检测和支持IDG的高级量测***，特别是变电站的智能化监视，成为配网研究的重要内容之一。开关柜是配电***中重要的电能分配和保护控制设备。它采用断路器作为主元件，根据电气一次主接线图的设计要求，将有关的高低压电器如母线、载流导体、绝缘子等装配在封闭的金属柜体内，实现接受和分配电能的目的。开关柜事故往往会造成很大的经济损失，甚至人身伤亡事故。过去10kV开关柜的监控，特别是变电所中低压设备的监控一直没有引起人们的足够重视。

随着社会经济的发展，单位停电造成的损失和影响越来越大，对配电网络可靠性水平提出更高的要求。近年来出现了一些针对开关柜监控的产品，例如断路器模拟显示器、高压带电指示器、凝露控制器、多功能仪表、微机保护装置等产品。这些产品在高压开关柜运行中发挥了重要作用，但是由于各种监控装置独立安装，使得开关柜面板显示复杂，装置之间信息的共享程度不高，各装置的通信方式与规约不同，同时安装检修工作量加大，***可靠性提升并不明显。

本装置研制的新型测控装置紧密依托以上工程需求，本着增加和提升功能及性能，方便调试和运行维护的原则进行创新开发。本装置设计了一种新型多功能开关柜智能监控装置，实现了单柜及整个中低压配电装置的全面一体化检测、监视和控制，并具有联网功能，允许进行远程监视控制。

发明内容

本发明提供一种基于ARM的开关柜智能监控装置，通过以下技术方案来实现：

硬件设计：以LPC2292微处理器为核心，按照功能分为凝露控制模块、无线测温模块、开关量输入输出模块、模拟量输入模块、语音模块、人际交互模块、电源模块、通讯模块。

所述凝露控制模块的温湿度传感器采用SHT15数字式温湿度传感器，在开关柜内外分别安装温湿度传感器，通过比较柜内外温差来驱动加热器，使柜内外温差保持在1°-3°以上，同时依据柜内相对湿度来开断加热器降低柜内湿度，通过传感器采集的温湿度启动或停止加热器或风扇，使柜内温湿度保持在合理范围内，避免凝露的产生。

所述无线测温模块采用成都赛康信息技术有限责任公司生产的无源无线测温***。在开关柜内安装6～12个温度传感器，分别安装在断路器触头、电缆接头、母线上，这组温度传感器由一个温度采集器负责温度信息的收发，温度采集器集成在开关柜智能操控装置内，采集器的温度信息通过CAN总线上传至微处理器，微处理器通过对数据的分析处理来显示各点的温湿度值并控制超温报警信号输出。

所述开关量输入输出模块的开关采集电路的输入信号来自一次设备的辅助触点，通过光电隔离后输入处理器的I/O口，并驱动相应的LED模拟显示条来指示开关设备的状态，其中包括断路器分闸、断路器合闸、手车试验位置、手车工作位置、接地开关分、接地开关合、断路器储能指示7路信号；开关量输出电路的开关量的输出信号是由处理器对采集的信息分析运算后，做出判断并发送到GPIO口，再由光电耦合器驱动三极管导通，使继电器线圈得电，控制继电器触点向外输出，开关量输出包括：加热器、风扇、柜内照明、断线报警、过热报警、闭锁输出、关键部位超温报警等。

所述模拟量输入模块由互感器信号转换电路、信号调理电路、低通滤波电路和A/D转换电路组成，高压开关柜中的电压和电流经一次互感器变换后得到220V和5A的模拟信号，必须经过微型互感器转换为低电压和低电流信号，信号通过信号调理电路产生A/D模块适当的电压信号，再经过低通滤波电路滤波后输入LPC2292内置的A/D转换模块；处理器对获得的信号进行分析处理得到电压、电流、有功功率、无功功率等物理量，测量精度为0.5级。

所述语音模块采用WT558D语音芯片，控制模式采用三线串口控制模式，由LPC2292的P3.0-P3.2控制，采用DAC方式外接LM386功放进行语音播放。

所述人际交互模块的显示部分采用C12864-ZB液晶显示模块来实现，LPC2292与LCD接口采用8位数据总线并行输入输出和3条控制线，***还设计了上、下、左、右、确定、退出6个按钮来实现数值查询和参数修改任务。

所述电源模块采用线性稳压电源芯片SPX29150为***提供3.3V和1.8V电压。

所述通讯模块采用RS485通讯方式，由SP485R芯片实现与LPC2292的连接，完成监控主机与装置之间的信息交换。

软件设计：本装置采用ARM7控制器LPC2292，为了提高***的实时性和可靠性，该装置引入了嵌入式操作***μC/OS-Ⅱ，基于嵌入式操作***的软件结构分为3层：应用程序层、操作***层、嵌入式硬件层。将μC/OS-Ⅱ移植到LPC2292处理器上，软件设计分为***任务划分及主程序设计和主要模块软件设计。

所述***任务划分根据***的功能，由函数OSTaskCreate()创建以下几个任务：信号采集任务、凝露控制任务、无线测温报警任务、按键任务、液晶显示任务、通讯任务、语音提示任务，各个任务的优先级不同，优先级高的进程优先运行。

所述主程序是***开始执行各个任务的前提，在主程序中，首先进行***硬件初始化，再进行μC/OS-Ⅱ操作***初始化，最后建立任务，启动多任务操纵***。

所述主要模块软件包括凝露控制软件、无线测温模块软件和信号采集模块软件。

所述凝露控制软件对SHT15数字式温湿度传感器采集信号经放大、A/D转换、矫正后信号分析处理后，通过LCD显示温湿度数值，如果温湿度超过了设定阀值，自动开起加热器或风扇，同时进行报警提示。

所述无线测温模块的数据传输分为两个阶段，温度采集器与温度传感器之间的数据采用无线传输，温度采集器与微控制器LPC2292之间的数据传输采用CAN总线传输。

所述信号采集模块软件的开关量采集使用中断程序来执行，由LPC2292内置的中断控制器来响应来自IRQ的中断，通过中断子程序来识别I/O口的状态，从而获取开关状态信息。

附图说明

图1是本发明的总体装置硬件图。

图2是本发明的温湿度采集电路图。

图3是本发明的无线测温***结构图。

图4是本发明的开关量采集电路图。

图5是本发明的开关量输出电路图。

图6是本发明的电压转换电路图。

图7是本发明的电流转换电路图。

图8是本发明的程序流程图。

图9是本发明的任务优先级安排图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于ARM的开关柜智能监控装置，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，所述基于ARM的开关柜智能监控装置以LPC2292微处理器为核心，按照功能分为凝露控制模块、无线测温模块、开关量输入输出模块、模拟量输入模块、语音模块、人际交互模块、电源模块、通讯模块，通过自动检测环境温度、湿度、开关柜内部温度、断路器触头、母线、电缆接头处温度、断路器和接地开关开合状态、带电状态等输入信息，识别是否存在局部温升，进而判断是否存在安全隐患；根据柜体内外温湿度值，确定是否进行加热除湿操作；采用LED图形指示断路器和接地开关状态、开关储能状态、带电状态，并通过LCD显示器显示温湿度及电参数等信息；通过RS485与上位机通讯，实现了就地控制和远程控制。

如图2，所述基于ARM的开关柜智能监控装置的凝露控制模块的温湿度传感器采用SHT15数字式温湿度传感器，装置中LPC2292与SHT15的连接采用两个I/O口分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端接入一只10kΩ的上拉电阻，在电源端接入一只100nF的去耦电容，实现数据的采集与传输。

如图3，所述开关柜智能监控装置的无线测温***，测温***采用成都赛康信息技术有限责任公司生产的无源无线测温***。在开关柜内安装6～12个温度传感器，分别安装在断路器触头、电缆接头、母线上,这组温度传感器由一个温度采集器负责温度信息的收发，温度采集器集成在开关柜智能操控装置内,采集器的温度信息通过CAN总线上传至微处理器，微处理器通过对数据的分析处理来显示各点的温湿度值并控制超温报警信号输出。

如图4，所述开关量输入输出模块的开关采集电路，输入信号来自一次设备的辅助触点，通过光电隔离后输入处理器的I/O口，并驱动相应的LED模拟显示条来指示开关设备的状态，其中包括断路器分闸、断路器合闸、手车试验位置、手车工作位置、接地开关分、接地开关合、断路器储能指示7路信号。

如图5，开关量输入输出模块的开关输出电路，开关量的输出信号是由处理器对采集的信息分析运算后，做出判断并发送到GPIO口，再由光电耦合器驱动三极管导通，使继电器线圈得电，控制继电器触点向外输出。

如图6、图7，所述基于ARM的开关柜智能监控装置的模拟量输入模块的互感器电压电流信号转换电路，高压开关柜中的电压和电流经一次互感器变换后得到220V和5A的模拟信号，必须经过微型互感器转换为低电压和低电流信号，经过转换电路和信号调理电路后电压和电流信号均转换成幅值范围为-1.25～+1.25V的电压量，同时电平转换电路还实现了二次回路与监控装置内部电路之间的电气隔离和电气屏蔽，减少了自高压设备对弱电元件的干扰，图6、7中D5、D6、D7、D8为瞬态电压抑制二极管(TVS)，能抑制电压或电流的瞬态干扰，防止电压和电流的突然上升，避免元件受到瞬间冲击而损坏。

如图8、9，所述基于ARM的开关柜智能监控装置的程序流程图及任务优先级安排，该装置软件设计分为***任务划分及主程序设计和主要模块软件设计。

所述***任务划分根据***的功能，由函数OSTaskCreate()创建以下几个任务：信号采集任务、凝露控制任务、无线测温报警任务、按键任务、液晶显示任务、通讯任务、语音提示任务，各个任务的优先级不同，优先级高的进程优先运行。

所述主程序是***开始执行各个任务的前提，在主程序中，首先进行***硬件初始化，再进行μC/OS-Ⅱ操作***初始化，最后建立任务，启动多任务操纵***。

所述主要模块软件包括凝露控制软件、无线测温模块软件和信号采集模块软件。

所述凝露控制软件对SHT15数字式温湿度传感器采集信号经放大、A/D转换、矫正后信号分析处理后，通过LCD显示温湿度数值，如果温湿度超过了设定阀值，自动开起加热器或风扇，同时进行报警提示。

所述无线测温模块的数据传输分为两个阶段，温度采集器与温度传感器之间的数据采用无线传输，温度采集器与微控制器LPC2292之间的数据传输采用CAN总线传输，CAN总线传输程序设计主要是调用CAN驱动程序提供的接口来实现数据的接收与发送；CAN驱动函数包括控制器初始化、数据发送、数据接收和总线异常等内容，该装置使用LPC2292内部集成的控制器1，符合CAN规范CAN2.0B和ISO 11989-1标准，波特率设置为115200bps。

所述信号采集模块软件的开关量采集使用中断程序来执行，由LPC2292内置的中断控制器来响应来自IRQ的中断，通过中断子程序来识别I/O口的状态，从而获取开关状态信息；模拟量的采集通过A/D中断实现，中断主要用来采集和处理数据，通过A/D转换获取采样数据，然后调入标定的算法程序，计算出相应的测量结果，并将结果显示在液晶屏上。

最后应当说明的是：以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：以LPC2292微处理器为核心，按照功能分为凝露控制模块、无线测温模块、开关量输入输出模块、模拟量输入模块、语音模块、人际交互模块、电源模块、通讯模块。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述凝露控制模块的温湿度传感器采用SHT15数字式温湿度传感器，装置中LPC2292与SHT15的连接采用两个I/O口分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端接入一只10kΩ的上拉电阻，在电源端接入一只100nF的去耦电容，实现数据的采集与传输。

3.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述无线测温模块采用成都赛康信息技术有限责任公司生产的无源无线测温***。

4.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述开关量输入输出模块的开关采集电路的输入信号来自一次设备的辅助触点，通过光电隔离后输入处理器的I/O口，并驱动相应的LED模拟显示条来指示开关设备的状态；开关量输出电路的开关量的输出信号是由处理器对采集的信息分析运算后，做出判断并发送到GPIO口，再由光电耦合器驱动三极管导通，使继电器线圈得电，控制继电器触点向外输出。

5.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述模拟量输入模块由互感器信号转换电路、信号调理电路、低通滤波电路和A/D转换电路组成。

6.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述语音模块采用WT558D语音芯片，控制模式采用三线串口控制模式，由LPC2292的P3.0-P3.2控制，采用DAC方式外接LM386功放进行语音播放。

7.根据权利要求1所述的基于ARM的开关柜智能监控装置，其特征在于：所述通讯模块采用RS485通讯方式，由SP485R芯片实现与LPC2292的连接。