基于S7-1200 PLC的实训室安全用电监控保护装置的设计

秦思，殷武威，李家薪，陈彬

摘要：以全面提升实验室用电安全为核心目的，建立在具体案例的基础上，设计了一种用电安全监控保护装置，该装置利用信息技术构建智能化的监控体系，选择西门子S7-1200 PLC作为主控设备、选择基于MODBUS通信协议的多路功率电能采集模块作为检测设备、结合固态继电器作为断电保护装置。这种用电监控保护装置可以同时监控多个实训室的实际用电情况，同时结合最大功率的阈值设定，确保每一间实训室的用电安全，若出现异常状态能够及时地进行统一管理。

关键词：实训室；安全用电；监控保护；系统设置

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0077-03

实训室是为学生提供学习和实操的重要场所，也是培养学生动手能力和创新能力的基地。近年来随着高校实验实训设备的不断更新和增加，用电安全是实训室日常管理中的重要一项任务。而目前对于绝大部分的实训室，尤其是工科技术类的实训室，这种实训室涉及大量的用电设备，电力系统的良好运行将直接决定实训室的用电安全。

本文将重点从案例分析以及理论分析的角度入手，具体阐述基于S7-1200 PLC的实训室安全用电监控保护装置的设计，综合具体的系统结构设计以及应用展开，以期能够为相关项目的开展提供参考依据。

1 基础理论及背景分析

在当前绝大部分实训室运转的过程中，由于涉及大量的用电设备，一旦出现电源系统问题，便有可能使设备死机、故障，甚至导致设备发热、短路，这些都是引发火灾的关键因素。除此之外，实训室自身的用电情况存在一定的不确定性，可能根据不同的项目进行调整，这种不确定性势必会对实训室电力系统造成的一定的影响。为解决这一矛盾，就需要在前期电力系统设计的过程中调整最大功率阈值，这样才可以满足实训室的实际运行需求。

目前绝大部分的实训室采用的主要是改变最大功率阈值的方式，这种方式主要是依赖不同类型空气开关来进行调控，但是空气开关成本较高，档位调节也有一定的限制[1]，因此打造更加科学、人性化、安全的用电管理体系，已经成为多方关注的重点。

从性能层面来讲，安全用电监控保护装置主要是针对单个实训室或者多个实训室的用电情况进行统一的远程监控，根据监控情况分析可能出现的异常，在出现异常时及时地进行区域断电，以避免危害的扩大。同时结合具体的项目用电需求以及变化灵活的调整阈值功率，最大限度地杜绝用电隐患。安全用电管理体系能在降低人员工作压力的同时，也能够有效地增强实训室用电管控的时效性以及精细化程度。

从需求层面来讲，随着我国节能减排政策的落实，实训室的电能管控也需要以节约能源为落脚点。这势必就要求在学生在实训结束之后，安全用电监控保护装置能够实现对用电设备的智能远程断电，避免造成能源的浪费，精准预防安全事故的发生。

2 实训室用电监控保护装置设计方案

结合实际情况来看，不同的实训室在开展不同实训项目时使用的电力功率有一定的差异性，因此安全用电保护装置的阈值设置要满足不同功率的实际使用需求。本文所提出的安全用电保护装置，其核心在于可以通过软调节的方式控制最大功率阈值，也可通过人机交互界面设定不同项目的最大功率阈值。

这种灵活调整方式能满足同一实训室内不同实训项目同时开展时的实际用电需求，并能实时监控包括电流、负载性质、电压、功率在内的多种参数，若某一参数出现异常，系统会迅速地断开相对应的电力系统，并维持其他系统的正常供电。这种方式不仅可以实现实训室电力系统的统一管理，更能够实现精细化管理，而想要达成这样的目的，就必须科学选择安全用电装置的软件系统以及硬件配套体系。

首先系统采取的功率电能采集模块主要获取电力系统运行期间的电压、电流、功率、功率因数等相关动态性数据。数据采集模块利用MODBUS-RTU构建通信协议。利用RS-485通信模块，确保多个模块能够集成运行[2]；为了便于人机交互，选择可触摸的液晶显示屏来显示数据，并且提供人工控制界面。整体设置的系统简单便于操作，单人便可以进行操控。

2.1 控制器

本系统中的控制核心选择西门子S7-1200系列PLC，该PLC具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用。由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通信最高标准的通信接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。

2.2 集成化模块

为了确保多个模块能够集成为一套完整的运行系统，各实训室的采集设备与主控室的主控制器之间均采用RS-485串行总线的方式进行模块连接，多项实时数据通过一根电缆便可实现集中传输，并在主控制器连接的人机交互界面中显示，最大限度地实现数据的集成。

2.3 人机交互界面

人機交互界面主要负责显示模块采集到的各项数据信息以及异常用电情况发生时产生的报警，以实现各实训室整体用电状态的监控。此外液晶显示屏也能通过人工设定的方式对每间实训室的最大功率阈值进行手动调整。如图1所示，便是整体用电监控系统的控制框图，不仅可以实现综合管理，也可以通过远程遥控的方式实现人工调整。

3 用电监控保护装置子模块分析

为全面提升整体系统运行的质量，还需要结合相应的子模块进行功能优化，确保模块可以集成运行，也能够分工合作。

3.1 主控芯片

本系统的核心控制器采用S7-1200系列PLC，利用串口通信功能和功率电能采集模块以及人机交互界面进行数据传输，因此需要打造多个通信接口，但是CPU1212本体上仅支持网口通信，因此还需要具备RS-485串行通信接口。结合控制系统的功能以及安全稳定要求，在综合各项因素考虑之后选择CPU1212 DC/DC/DC晶体管型PLC，同时配备CB1241 RS-485通信板卡。

3.2 采集模块

采集模块主要以功率电能采集为主，本次系统采用多组正泰DTSU666的计量模块，每间实训室安装一块，该电能计量模块能够精准地定位不同实训室的运行电压、电流、功率因数、能耗等相关数据，并能将数据转换为标准的MODBUS-RTU通信协议报文传输至PLC。

除此之外，为了进一步满足用电管理装置远程操控的需求，多路功率电能采集模块和PLC S7-1200之间还需要建立远程数据传输体系，该体系将多个功率电能采集模块和S7-1200 PLC通过RS-485连接在一起，连成总线通信网络，辅之以稳定可靠的轮询控制程序，以实现多间实训室的用电监控，轮询控制部分程序如图2所示。

其中MB_ADDR设置为11为1号实训室电能数据采集模块地址，416386为采集模块存储电能数据的寄存器地址，48194为采集模块存储电压、电流、功率等数据的寄存器地址，由于MODBUS查询开始后，背景数据块将锁定，其他客户端无法使用，因此需利用轮询操作实现同一指令多次调用的遍历。

3.3 固态继电器

为了确保电力安全保护装置能够在电力系统出现故障时及时地执行保护动作，还需要在装置中安装继电器，本方案中选择的继电器为固态继电器，其核心在于实现电路的通断控制[3]。首先能够实现器件的隔离或者控制端与设备端的隔离，其次可以利用小信号控制大负载。固态继电器能够实现直流控制交流、交流反控直流、交流控制交流这三种不同的控制方法，本案例中主要为直流控制交流这一方法，通过PLC的I/O口来控制固态继电器。固态继电器另外两端接220V交流。

该种控制方式不仅具有较高的可靠性，也能够快速地进行安全故障的定位，快速执行保护动作。只需要利用PLC的I/O口输出逻辑电平信号，便能够实现电路的开断控制。

4 用电管理装置控制系统设计

由于用电保护装置本身涵盖大量的硬件系统，还需要完善的软件程序进行连接和控制，这样才可以进一步降低系统运行压力，节约设计时间。本方案中首先需要实现RS485串口的初始化，确保多个串口能够独立运作，不会影响HMI的正常运转状态；触摸屏设置好每间实训室的最大功率阈值后，还需要将数据传输到PLC 中，PLC 结合这些数据为变能采集模块下方指令以及信息，电能采集模块针对实训室的各个项目以及用电系统进行集中监控[4]。若出现用电异常以及故障等情况，PLC 控制固态继电器，及时地执行保护动作，其具体流程见图3。

5 用电保护系统的性能实验分析

依托上文所示的硬件组装体系以及软件控制系统，针对实训室安全用电保护装置落实系统调控，并且进行常规的用电实验分析装置，是否能够提供完善的用电安全保护服务。

首先需要在HMI上，结合实训室的实际应用情况设置最大功率阈值；其次，在屏幕上读取并且记录实训室项目运转期间产生的实时电流、电压、功率、功率因数等相关信息；工作人员利用万能表以及前行电流表，检测测量工具读取到的电压、电流、功率、功率因数；和液晶显示屏上顯示的数字进行对比，分析二者是否存在差异。

再次，重新设置较小的功率阈值，分析固态继电器是否能够正常运作。若检测到的数据大于原有的最大功率阈值，实验室是否能够及时断电，所有数据是否可以存档[5]。

按照以上检测流程以及检测重点，针对三个用电类的实训室进行全方位测试。按照学生实训过程中的实际流程执行项目试验，结果显示在设定额定功率远大于设备正常运转所检测到的功率时，实验室的电力运转状态良好；当设定的功率阈值小于实验室设备检测的功率数值时，实验室会在固态继电器的影响下断电，其具体的检测数据见表1所示。

从表1中数据可以看出，用电安全保护装置可以在实验室用电出现问题情况时，能迅速地切断电路，能够有效提升整体系统运行的安全性和稳定性；系统装置自动检测的数据和人工检测数据之间并不存在较大差异，能够有效满足实时数据检测以及精细化管理的需求[6]。

6 结论

基于S7-1200的实训室安全用电监控保护装置的设计可以帮我们打造安全稳定的实训室用电保护体系，该装置不仅可以及时调节实训室的用电标准，也能够通过远程管理以及人机交互的操控方式，进行精细化管理。不同实训室以及不同实训项目设定最大功率阈值能缓解电力系统压力，同时也可确保用电系统的稳定。经过实验验证，该安全用电监控保护装置实时性好，数据传输可靠、能极大地提高实训室用电的安全性，有一定的应用及与推广价值。

参考文献：

[1] 王亚莲.浅析职业院校焊接实训室的安全管理[J].职业，2021（12）：78-79.

[2] 任宛莉.论高职院校化学实训室安全管理方式[J].当代化工研究，2021（6）：16-17.

[3] 于燕平.高职院校电工综合实训室的建设与管理——以柳州铁道职业技术学院实训室建设为例[J].轻工科技，2020，36（7）：165-166.

[4] 曾喜娟，吴志华.基于S7-200PLC与手机物联网的智能实训室远程监控系统的实现[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2020，20（2）：50-54.

[5] 牛小铁，王彬，王俊.实验室用在线绝缘监测系统的研制[J].北京工业职业技术学院学报，2020，19（2）：1-5.

[6] 刘荣章.安全用电智能监控系统的研制[J].电子技术与软件工程，2021（5）：228-229.

【通联编辑：梁书】