本文针对某型机车电气控制柜，提出一种基于STC89C52为核心，借助最新的GPRS无线数据传输技术和虚拟仪器（LabVIEW），设计了一套电力及环境参数的采集、传输、显示、储存以及预警的系统。该系统增加远程控制功能，解决目前电气控制柜智能化程度不高而造成的获取数据不及时、不便捷和不可靠，安全因素不可控等问题。

电气控制柜是机车的控制中枢，目前某些国产机车的电气控制台柜依旧停留在定期进行人工维护和检查的阶段中，在列车运行过程中无法对这类电气控制设备的健康状况进行检查。因而设计电气控制柜监控系统对电气控制柜中各项数据进行实时的高精度数据采集，并通过无线通讯技术传输至远端上位机，在上位机上实时反映电气控制柜各项电力参数以及柜内环境数据。与传统的电气控制柜相比，加入该监控系统的电气控制柜在运行的安全和可控上实现了较大的提升：电气控制柜可远程与计算机进行通讯，实现数据的实时在线监测、预警及存储；而且依靠各型传感器实时感知电控柜内部异常环境变化，一旦出现紧急情况，及时发出预警并远程断开回路，工程技术人员可在第一时间对故障进行排查与维护，提高了机车配电安全性及可控性。

系统总体方案设计

机车电气控制柜监控系统基于用户对现场电气控制柜内重要电气部件配电情况监测的需求，采用51系列单片机结合各种传感器设计组成智能仪器，采用PC（结合LabVIEW软件）构成上位机，对电气控制柜关键回路上的电压、电流、功率以及功率因数进行监测。在LabVIEW软件开发环境下，利用图形化编程语言，开发上位机监控程序，进行实时数据监测。具备数据的显示、数据存盘、导出等功能，并对设备运行过程中各项电能数据设置阀值，一旦超标，立即通过声光方式进行预警，并及时驱动继电器断电保护电路，快速控制意外情况造成的损失和伤害扩大。系统总体结构如图1所示。

图1  系统总体结构

系统采用模块化设计，电气控制柜监控系统设计主要由数据采集终端设备、GPRS无线数据传输模块和上位机组成。数据采集终端设备主要是以STC89C52单片机为核心，结合电流、电压互感器，温湿度传感器、声光报警电路、LCD12864显示单元以及继电器保护电路（上位机发送指令，由单片机控制继电器的来断开或者闭合回路）构成下位机，完成数据的采集传输以及电气回路的控制。GPRS无线数据传输模块主要负责数据的实时传输通讯，将各路传感器获取的数据通过STC89C52处理后由GPRS无线传输模块进行远距离数据传输。这种无线传输方式相较于有线传输成本优势明显，适合远距离且数据量不大的数据传输。上位机主要由PC借助LabVIEW（虚拟仪器）为开发平台进行编程。上位机主要负责电力参数、环境参数的监控：当电气控制柜发生异常及时预警以及提供数据存储功能，当系统出现异常，上位机会将预警部分加以显示，并且对异常情况进行记录。工作人员不仅能够对当前数据实时观测，也能够查询以往数据，选择数据存盘，电力数据会以Excle的格式进行数据存储，结合监控软件可实现对历史数据的读取，并且以波形图的形式更加直观复现。

硬件系统设计

电气控制柜监控系统硬件系统采用模块化设计。下位机主要包括以STC89C52为核心的主控制器、前端数据采集电路（电压、电流互感电路）、温湿度传感器电路、继电器保护电路、预警电路、显示电路以及GPRS数据的发送模块；上位机主要是由STC89C52主控制器、GPRS数据接收模块和PC组成。下位机主要承担电气控制柜电力数据的采集与传输以及配电箱运行环境的监测和保护；上位机主要负责数据的接收、显示、预警和保存以及控制电气控制柜电气回路。硬件系统设计以设计需求为出发点，通过分析设计需求，硬件选型、硬件电路设计和调试来完善硬件系统设计。

1 、电能数据采集端设计

1）电压互感器模块

电压互感器是系统的前端电压调理部分，采用变比为2mA/2mA板载精密电压互感器，板载高精度运放电路，可以对信号精确采样和做适当的补偿等功能，模块可以测量1200V以内的交流电，对应模拟输出可以调节，输出的波形为正弦波，输出的波形可以调节。

2）电流互感器模块

电流互感器的感知电流的方式和变压器原理类似。电流调理部分采用变比20000:1 的电流互感器，将大电流转化成小电流，然后经电阻将电流信号转变成电压信号输入到CS5460A电能计量芯片相应管脚，并在前端电路加入RC滤波电路对信号初步滤波。经过CS5460A电能计量芯片的A/D转换以及DSP处理，再由芯片输出端以脉冲输出的方式进行电流计算。在本设计中取电流互感器的量程为0~1000A。

3）CS5460A电能计量模块

CS5460A是美国Cirrus Logic公司推出的一款用于专门测量电压、电流、功率和能量的集成芯片。芯片输出脉冲频率与有功能量成正比，将脉冲输出管脚连接至CPU，单片机能够快速的计算电能数据。许多的电能计量仪表都采用此款芯片进行开发，芯片内部实现数模转换，省去了许多的转换电路设计，缩短了开发时间。结合CS5460A的特性，系统前端数据采集电路采用这款芯片进行电能计量。

电能数据采集端电路设计如图2所示。

图2  电能数据采集端电路设计

2 、温湿度采集电路设计

本文主要针对的是某型机车电气控制柜，机车在运动过程中会使得机车整体包括配电箱的使用环境会发生巨大的区域与时间变化。不同地域的温湿度差别较大，不同时间特别是早晨、夜晚，气温的变化也较大，空气湿度的增加都容易造成机车电气控制柜壁结露甚至凝霜，很容易造成电气控制柜内部回路接触点出线短路或者接触不良，危害机车用电安全。因此选择温湿度传感器进行环境数据监测，对温度、湿度设置合适的阈值并且与声光报警电路结合。当温度或者湿度超出阈值，声光报警电路及时预警。温湿度传感器DHT11与STC89C52的连接如图3所示。

图3  DHT11温湿度传感器与单片机的连接图

3 、报警电路设计

报警电路由蜂鸣器和LED发光二极管构成报警电路提供声光报警。单片机设置的参数超过对应设置的阈值时，会触发LED二极管发光，蜂鸣器发声。报警电路设计如图4所示。

图4 声光报警电路

 4、 显示电路设计

显示的参数主要包括：电压、电流、功率以及功率因数，还有包括温湿度传感器获取的温度、湿度，LCD12864还需要实时显示电气控制柜内部工作环境是否正常（如果电气控制柜内部温度、湿度或者发生电气火灾都会显示设备报警）。LCD12864液晶显示电路如图5所示。

图5 LCD12864液晶显示电路设计

软件系统设计

监控系统软件设计主要包括上位机程序和下位机程序。上位机借助LabVIEW为平台主要完成登陆界面的编程开发、数据显示界面、故障预警以及数据存盘（电力参数抄表功能）。下位机主要是由各路传感器以及预警电路组成。下位机控制核心为STC89C52型单片机，主要包括数据采集子程序、数据显示及故障预警子程序、串口通讯子程序和主程序组成。系统结构框图如图6所示。

图6  系统结构框图

1  、登陆界面设计

登录界面主要是针对用户开发的账户管理界面，用户必须输入特定的用户名和对应的密码才可以进入监控界面。用户可以在更改用户名与密码，但是需要更改用户名和密码的权限（程序经过加密，没有权限密码不能修改程序）。机车电气控制柜监控系统界面的登陆界面如图7所示。

图7 智能电气配电箱监控系统登陆界面

2、 选择界面设计

机车上往往不只有一个电气控制柜，电气控制柜监控系统在设计时就考虑到了监控系统可以针对机车上的一个电气控制柜或者多个电气控制柜进行监测。监测对象的选择界面如图8所示。

图8 电气控制柜数据监控选择界面

3 、监控界面设计

监控系统最重要的是实时监测电气控制柜各项电力参数以及环境参数。界面主要显示各项电力参数以及当前温湿度值，同时在每个监测参数后面设计双色指示灯作为提示，当监测数据超出规定的阈值，指示灯将由绿色变为红色。对电气控制柜一路母线和三路出线的电压、电流、功率以及功率因数进行实时显示，并且为电压、电流、温度、湿度设计阈值，当实时检测值大于阈值时会触发报警。并且以波形图的形势将功率谱直观的显示在监控界面前面板上，增加数据存盘功能，用户可以对当前数据进行保存供日后调用查询。监控界面如图9所示。

图9 监控界面

4 、数据采集主程序设计

电气控制柜监控系统主程序设计是下位机程序设计的核心；主程序主要包括数据采集子程序、数据处理子程序以及GPRS/12864初始化。下位机数据采集主程序的框图如10所示。

图10 下位机数据采集主程序框图

5、 串口通讯程序设计

CS5460A电能计量芯片与STC89C52的串行通讯如图11所示。

图11 串行通讯程序流程

6、 数据采集子程序程序设计

数据采集终端控制核心STC89C52单片机初始化后，电能计量芯片CS5460A上电复位，而后接收并处理来自电压、电流互感器传输的模拟信号，在CS5460A内部进行A/D转化并进行数字信号处理。单片机核心不断查询是否读完，读完后进行数据存盘。数据采集的流程如图12所示。

图12 数据采集子程序流程

结论

本论文主要针对某型机车电气控制控制台柜等电气控制设备依旧停留在定期进行人工维护和检查的阶段中，在列车运行过程中无法对这类电气控制设备的健康状况进行检查。因而设计电气控制柜监控系统对电气控制内部关键参数进行实时的高精度数据采集，并通过最新数字无线通讯技术传输至后台监测控制系统，通过上位机监测控制软件实时反映电力参数以及环境状态，同时为电气控制柜增加了可远程控制断开回路功能。重点研究的是LabVIEW 与嵌入式开发的融合，此系统可以实现在多种工作环境中有效监视电气控制柜的运行状态，及时发现、预警并且处理故障，在电气控制柜电力参数监测与可控性方面具有较好的应用前景。

作者：姚阳，杨存平，王际
单位：资阳中车电气科技有限公司