基于S7-1200 PLC的實訓室安全用電監控保護裝置的設計

秦思，殷武威，李家薪，陳彬

摘要：以全面提升實驗室用電安全為核心目的，建立在具體案例的基礎上，設計了一種用電安全監控保護裝置，該裝置利用信息技術構建智能化的監控體系，選擇西門子S7-1200 PLC作為主控設備、選擇基于MODBUS通信協議的多路功率電能采集模塊作為檢測設備、結合固態繼電器作為斷電保護裝置。這種用電監控保護裝置可以同時監控多個實訓室的實際用電情況，同時結合最大功率的閾值設定，確保每一間實訓室的用電安全，若出現異常狀態能夠及時地進行統一管理。

關鍵詞：實訓室；安全用電；監控保護；系統設置

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）33-0077-03

實訓室是為學生提供學習和實操的重要場所，也是培養學生動手能力和創新能力的基地。近年來隨著高校實驗實訓設備的不斷更新和增加，用電安全是實訓室日常管理中的重要一項任務。而目前對于絕大部分的實訓室，尤其是工科技術類的實訓室，這種實訓室涉及大量的用電設備，電力系統的良好運行將直接決定實訓室的用電安全。

本文將重點從案例分析以及理論分析的角度入手，具體闡述基于S7-1200 PLC的實訓室安全用電監控保護裝置的設計，綜合具體的系統結構設計以及應用展開，以期能夠為相關項目的開展提供參考依據。

1 基礎理論及背景分析

在當前絕大部分實訓室運轉的過程中，由于涉及大量的用電設備，一旦出現電源系統問題，便有可能使設備死機、故障，甚至導致設備發熱、短路，這些都是引發火災的關鍵因素。除此之外，實訓室自身的用電情況存在一定的不確定性，可能根據不同的項目進行調整，這種不確定性勢必會對實訓室電力系統造成的一定的影響。為解決這一矛盾，就需要在前期電力系統設計的過程中調整最大功率閾值，這樣才可以滿足實訓室的實際運行需求。

目前絕大部分的實訓室采用的主要是改變最大功率閾值的方式，這種方式主要是依賴不同類型空氣開關來進行調控，但是空氣開關成本較高，檔位調節也有一定的限制[1]，因此打造更加科學、人性化、安全的用電管理體系，已經成為多方關注的重點。

從性能層面來講，安全用電監控保護裝置主要是針對單個實訓室或者多個實訓室的用電情況進行統一的遠程監控，根據監控情況分析可能出現的異常，在出現異常時及時地進行區域斷電，以避免危害的擴大。同時結合具體的項目用電需求以及變化靈活的調整閾值功率，最大限度地杜絕用電隱患。安全用電管理體系能在降低人員工作壓力的同時，也能夠有效地增強實訓室用電管控的時效性以及精細化程度。

從需求層面來講，隨著我國節能減排政策的落實，實訓室的電能管控也需要以節約能源為落腳點。這勢必就要求在學生在實訓結束之后，安全用電監控保護裝置能夠實現對用電設備的智能遠程斷電，避免造成能源的浪費，精準預防安全事故的發生。

2 實訓室用電監控保護裝置設計方案

結合實際情況來看，不同的實訓室在開展不同實訓項目時使用的電力功率有一定的差異性，因此安全用電保護裝置的閾值設置要滿足不同功率的實際使用需求。本文所提出的安全用電保護裝置，其核心在于可以通過軟調節的方式控制最大功率閾值，也可通過人機交互界面設定不同項目的最大功率閾值。

這種靈活調整方式能滿足同一實訓室內不同實訓項目同時開展時的實際用電需求，并能實時監控包括電流、負載性質、電壓、功率在內的多種參數，若某一參數出現異常，系統會迅速地斷開相對應的電力系統，并維持其他系統的正常供電。這種方式不僅可以實現實訓室電力系統的統一管理，更能夠實現精細化管理，而想要達成這樣的目的，就必須科學選擇安全用電裝置的軟件系統以及硬件配套體系。

首先系統采取的功率電能采集模塊主要獲取電力系統運行期間的電壓、電流、功率、功率因數等相關動態性數據。數據采集模塊利用MODBUS-RTU構建通信協議。利用RS-485通信模塊，確保多個模塊能夠集成運行[2]；為了便于人機交互，選擇可觸摸的液晶顯示屏來顯示數據，并且提供人工控制界面。整體設置的系統簡單便于操作，單人便可以進行操控。

2.1 控制器

本系統中的控制核心選擇西門子S7-1200系列PLC，該PLC具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，適用于多種應用。由于該控制器具有可擴展的靈活設計，符合工業通信最高標準的通信接口，以及全面的集成工藝功能，因此它可以作為一個組件集成在完整的綜合自動化解決方案中。

2.2 集成化模塊

為了確保多個模塊能夠集成為一套完整的運行系統，各實訓室的采集設備與主控室的主控制器之間均采用RS-485串行總線的方式進行模塊連接，多項實時數據通過一根電纜便可實現集中傳輸，并在主控制器連接的人機交互界面中顯示，最大限度地實現數據的集成。

2.3 人機交互界面

人機交互界面主要負責顯示模塊采集到的各項數據信息以及異常用電情況發生時產生的報警，以實現各實訓室整體用電狀態的監控。此外液晶顯示屏也能通過人工設定的方式對每間實訓室的最大功率閾值進行手動調整。如圖1所示，便是整體用電監控系統的控制框圖，不僅可以實現綜合管理，也可以通過遠程遙控的方式實現人工調整。

3 用電監控保護裝置子模塊分析

為全面提升整體系統運行的質量，還需要結合相應的子模塊進行功能優化，確保模塊可以集成運行，也能夠分工合作。

3.1 主控芯片

本系統的核心控制器采用S7-1200系列PLC，利用串口通信功能和功率電能采集模塊以及人機交互界面進行數據傳輸，因此需要打造多個通信接口，但是CPU1212本體上僅支持網口通信，因此還需要具備RS-485串行通信接口。結合控制系統的功能以及安全穩定要求，在綜合各項因素考慮之后選擇CPU1212 DC/DC/DC晶體管型PLC，同時配備CB1241 RS-485通信板卡。

3.2 采集模塊

采集模塊主要以功率電能采集為主，本次系統采用多組正泰DTSU666的計量模塊，每間實訓室安裝一塊，該電能計量模塊能夠精準地定位不同實訓室的運行電壓、電流、功率因數、能耗等相關數據，并能將數據轉換為標準的MODBUS-RTU通信協議報文傳輸至PLC。

除此之外，為了進一步滿足用電管理裝置遠程操控的需求，多路功率電能采集模塊和PLC S7-1200之間還需要建立遠程數據傳輸體系，該體系將多個功率電能采集模塊和S7-1200 PLC通過RS-485連接在一起，連成總線通信網絡，輔之以穩定可靠的輪詢控制程序，以實現多間實訓室的用電監控，輪詢控制部分程序如圖2所示。

其中MB_ADDR設置為11為1號實訓室電能數據采集模塊地址，416386為采集模塊存儲電能數據的寄存器地址，48194為采集模塊存儲電壓、電流、功率等數據的寄存器地址，由于MODBUS查詢開始后，背景數據塊將鎖定，其他客戶端無法使用，因此需利用輪詢操作實現同一指令多次調用的遍歷。

3.3 固態繼電器

為了確保電力安全保護裝置能夠在電力系統出現故障時及時地執行保護動作，還需要在裝置中安裝繼電器，本方案中選擇的繼電器為固態繼電器，其核心在于實現電路的通斷控制[3]。首先能夠實現器件的隔離或者控制端與設備端的隔離，其次可以利用小信號控制大負載。固態繼電器能夠實現直流控制交流、交流反控直流、交流控制交流這三種不同的控制方法，本案例中主要為直流控制交流這一方法，通過PLC的I/O口來控制固態繼電器。固態繼電器另外兩端接220V交流。

該種控制方式不僅具有較高的可靠性，也能夠快速地進行安全故障的定位，快速執行保護動作。只需要利用PLC的I/O口輸出邏輯電平信號，便能夠實現電路的開斷控制。

4 用電管理裝置控制系統設計

由于用電保護裝置本身涵蓋大量的硬件系統，還需要完善的軟件程序進行連接和控制，這樣才可以進一步降低系統運行壓力，節約設計時間。本方案中首先需要實現RS485串口的初始化，確保多個串口能夠獨立運作，不會影響HMI的正常運轉狀態；觸摸屏設置好每間實訓室的最大功率閾值后，還需要將數據傳輸到PLC 中，PLC 結合這些數據為變能采集模塊下方指令以及信息，電能采集模塊針對實訓室的各個項目以及用電系統進行集中監控[4]。若出現用電異常以及故障等情況，PLC 控制固態繼電器，及時地執行保護動作，其具體流程見圖3。

5 用電保護系統的性能實驗分析

依托上文所示的硬件組裝體系以及軟件控制系統，針對實訓室安全用電保護裝置落實系統調控，并且進行常規的用電實驗分析裝置，是否能夠提供完善的用電安全保護服務。

首先需要在HMI上，結合實訓室的實際應用情況設置最大功率閾值；其次，在屏幕上讀取并且記錄實訓室項目運轉期間產生的實時電流、電壓、功率、功率因數等相關信息；工作人員利用萬能表以及前行電流表，檢測測量工具讀取到的電壓、電流、功率、功率因數；和液晶顯示屏上顯示的數字進行對比，分析二者是否存在差異。

再次，重新設置較小的功率閾值，分析固態繼電器是否能夠正常運作。若檢測到的數據大于原有的最大功率閾值，實驗室是否能夠及時斷電，所有數據是否可以存檔[5]。

按照以上檢測流程以及檢測重點，針對三個用電類的實訓室進行全方位測試。按照學生實訓過程中的實際流程執行項目試驗，結果顯示在設定額定功率遠大于設備正常運轉所檢測到的功率時，實驗室的電力運轉狀態良好；當設定的功率閾值小于實驗室設備檢測的功率數值時，實驗室會在固態繼電器的影響下斷電，其具體的檢測數據見表1所示。

從表1中數據可以看出，用電安全保護裝置可以在實驗室用電出現問題情況時，能迅速地切斷電路，能夠有效提升整體系統運行的安全性和穩定性；系統裝置自動檢測的數據和人工檢測數據之間并不存在較大差異，能夠有效滿足實時數據檢測以及精細化管理的需求[6]。

6 結論

基于S7-1200的實訓室安全用電監控保護裝置的設計可以幫我們打造安全穩定的實訓室用電保護體系，該裝置不僅可以及時調節實訓室的用電標準，也能夠通過遠程管理以及人機交互的操控方式，進行精細化管理。不同實訓室以及不同實訓項目設定最大功率閾值能緩解電力系統壓力，同時也可確保用電系統的穩定。經過實驗驗證，該安全用電監控保護裝置實時性好，數據傳輸可靠、能極大地提高實訓室用電的安全性，有一定的應用及與推廣價值。

參考文獻：

[1] 王亞蓮.淺析職業院校焊接實訓室的安全管理[J].職業，2021（12）：78-79.

[2] 任宛莉.論高職院校化學實訓室安全管理方式[J].當代化工研究，2021（6）：16-17.

[3] 于燕平.高職院校電工綜合實訓室的建設與管理——以柳州鐵道職業技術學院實訓室建設為例[J].輕工科技，2020，36（7）：165-166.

[4] 曾喜娟，吳志華.基于S7-200PLC與手機物聯網的智能實訓室遠程監控系統的實現[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2020，20（2）：50-54.

[5] 牛小鐵，王彬，王俊.實驗室用在線絕緣監測系統的研制[J].北京工業職業技術學院學報，2020，19（2）：1-5.

[6] 劉榮章.安全用電智能監控系統的研制[J].電子技術與軟件工程，2021（5）：228-229.

【通聯編輯：梁書】