稳态强磁场电源移动监控系统设计.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 3 期基金项目:合肥综合性国家科学中心资助收稿日期:2023-08-24稳态强磁场电源移动监控系统设计陈庆武1,2,3,王 灿2,3,徐烟红2,3,陈文革2,31.安徽大学物质科学与信息技术研究院;2.中国科学院强磁场科学中心;3.强磁场安徽省实验室 摘要:针对稳态强磁场28 MW 高稳定度电源系统的监控需求,设计一种移动电源监控系统,移动端设备通过 Web 服务器与基于 LabVIEW 编程的监控上位机通信,实时监测电源系统设备的关键运行数据和报警信息,随时远程遥控电源系统设备。以移动设备作为客户端,解决了电源监控系统便携性差,无法及时发现突发状况的问题,能够降低人力资源成本与时间成本,提高安全性。经测试,此移动监控系统稳定可靠。关键词:远程监控;LabVIEW;Web 服务器;移动端中图分类号:TP311 文献标识码:ADesign of Power Supply Mobile Monitoring System at SHMFFCHEN Qingwu1,2,3,WANG Can2,3,XU Yanhong2,3,CHEN Wenge2,31.Institute of Physical Science and Information Technology,Anhui University;2.High Magnetic Field Laboratory,Chinese Academy of Sciences;3.High Magnetic Field Laboratory of Anhui ProvinceAbstract:To cater to the monitoring requirements of a 28 MW highly stabilized power supply system under steady-state strong magnetic fields,a mobile power monitoring system was designed.The mobile device communicated with the monitoring host through a Web server,enabling real-time monitoring of key operational data and alarm information from the power supply system.It allowed remote control of the power supply system equipment at any time.By utilizing mobile devices as clients,this system ad-dressed the limitations of portability and timely detection of unforeseen circumstances in power monitoring systems.It effectively reduced costs in terms of human resources and time,while enhancing safety.Through rigorous testing,this mobile monitoring sys-tem has demonstrated stability,reliability,and significant practical value.Keywords:remote monitoring;LabVIEW;web server;mobile terminal;0 引言稳态强磁场实验装置是我国自主研制的能提供稳态强磁场实验条件的国家重大科技基础设施,其包含水冷磁体系统、超导磁体系统、混合磁体系统、技术装备系统及实验测试系统等1。28 MW 高稳定度电源系统是水冷磁体的核心技术装备系统之一,由 2 组 14 MW 电源并联组成,每组电源额定输出电压 700 V,额定输出电流 20 kA,输出电流稳定度优于 10 ppm(1 ppm=10-6)。每组电源由10 kV 高压开关柜、整流变压器、无功补偿器、可控硅整流桥、滤波系统、换向开关及母排、控制保护系统及后台监控系统等构成。电源监控系统用于对电源的运行数据实时监测,对电源子系统及各设备的运行状态实时监控,一旦电源设备或磁体出现故障,控制保护系统须立即执行相对应的保护动作,避免造成设备或磁体的损坏2。因此电源监控系统对电源和磁体的稳定可靠运行、实验故障排查解决具有非常重要的意义。现有电源监控系统安装在中央控制室,只有在控制室才能观察到实验数据与运行信息,因而运行人员需要一直在中央控制室现场监守和操作。随着强磁场装置用户数量和实验机时的不断增加,工作日平均实验机时已达到 12 h 以上,这对电源运行人员的工作量和工作任务都提出了较高要求。为了降低电源运行人员的工作量,能随时随地掌控电源的运行状态,对实验和电源设备的突发状况能及时发现和处理,降低电源运行过程中的安全隐患,本文设计了稳态强磁场电源移动端远程监控系统,让运行人员可以随时随地在移动端设备上查看电源运行的关键数据和运行状态(电压、电流、报警记录等),并通过移动端设备对电源系统设备进行遥控,快速解决电源运行过程中的故障,提高电源运行效率和实验效率。26 第 3 期陈庆武等:稳态强磁场电源移动监控系统设计 1 研究背景1.1 监控对象电源监控系统的监控对象主要包括 2 组 14 MW整流电源系统和 10 kV 开关柜。每组整流电源系统由8 台电源柜体组成:4 台整流电感柜、1 台滤波电容柜、1 台有源滤波柜、1 台 DCCT 柜、1 台控制保护柜,S7-300 PLC 作为整流电源系统的主控制器起到保护和控制作用。电源系统共计 6 台 10 kV 开关柜,CB0 开关柜为 10 kV 母线的总进线开关,CB1、CB2 分别是10 kV 母线接入 2 组电源的开关,CB3CB5 是 3 组无功补 偿 PFC 设 备 的 开 关,由 微 机 综 保 测 控 装 置(PSC691、PST693)采集开关柜的数据,对整流变压器、无功补偿电容器的运行状态进行监测,对每台开关柜的电压、电流等参数进行采集。CB1 和 CB2 开关柜还同时执行 2 组电源的故障分断保护。1.2 监控系统的组成现有电源监控系统以 300PLC 和开关柜综保装置作为下位机,负责采集电源和开关柜的数据,控制分合 10 kV 真空断路器、分合油泵、PLC 远程复位、系统本/远控切换。上位机使用 LabVIEW 编程的监控界面,负责与下位机通信,展示获取的电源运行和状态数据,并下发遥控命令至下位机,实现遥控功能。本文以现有电源监控系统为基础,通过 Web 服务器,设计实现电源移动监控系统3。移动端同时使用C/S(客户端/服务器)结构与 B/S(浏览器/服务器)结构4,C/S 结构中以 Android APP 为客户端。电源监控系统结构图如图 1 所示。图 1 电源监控系统结构图2 LabVIEW 上位机设计LabVIEW 上 位 机 与 Web 服 务 器 通 信 时5-6,LabVIEW 上位机作为客户端,Web 服务器作为服务端。每间隔 1 s,LabVIEW 会向服务器发送 1 次本地数据,发送数据时,LabVIEW 会先把数据捆绑成 JSON格式的簇,然后调用子 vi 发送至 Web 服务器。每间隔2.5 s,LabVIEW 会向服务器请求获取遥控命令数据。LabVIEW 上位机接收到遥控命令数据后,需要先进行解析,解析之后的命令会与当前电源系统设备状态进行逻辑处理,当命令与系统设备的状态不冲突时,才会执行命令,对设备进行操作。当命令与系统设备的状态冲突时,上位机会重置服务器的命令。LabVIEW数据处理流程图如图 2 所示。图 2 LabVIEW 数据处理流程图3 服务器设计服务器由 javaweb 后端项目、MySQL 数据库、vue前端项目组成。其中 javaweb 后端项目使用 java 语言,基于 SSM 框架,在 IDEA 开发平台开发,并部署在tomcat 服务器上,vue 前端项目使用 HTML+CSS+JavaScript,基于 vue 前端框架,在 VSCode 开发平台开发。目前 web 服务运行在阿里云服务器上。3.1 服务器逻辑设计服务器主要有两大功能:一是接收 LabVIEW 上位机运行数据(具体包括 PS1、PS2、PS3 3 个电源的输出电流、电压、报警记录数据及电源系统各设备运行状态数据),将运行数据保存在数据库中,然后在移动客户端展示。二是接收移动客户端发送的遥控命令数据(包括分合 10 kV 真空断路器、分合油泵、PLC 远程复位、控制系统本/远控切换),将遥控数据保存在数据库中,然后发送给 LabVIEW 上位机解析处理。服务器数据处理流程如图 3 所示。3.2 数据库设计数据库使用 MySQL 关系型数据库,数据库中包含7 个表:PS1 报警记录、PS2 报警记录、PS3 报警记录、电流电压、电流缓存、状态监控、远程控制。其中 PS1报警记录、PS2 报警记录、PS3 报警记录表分别用于存储 PS1 电源、PS2 电源、PS3 电源的报警记录信息,电流电压表中只存储1 条数据,当前时间产生的电流、电压数据,每 s 更新此条数据。电流缓存表存储的是距36 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期图 3 服务器数据处理流程图当前时间 1 h 内的电流数据,每 s 接收 1 条,一共3 600 条数据,移动客户端根据 3 600 条数据生成电流波形图。状态监控表存储的是电源系统设备的运行状态数据。远程控制表存储的是移动客户端发送的控制命令数据。PS1 报警记录、PS2 报警记录、PS3 报警记录、电流电压、电流缓存、状态监控表存储的数据为运行数据,这些数据是 LabVIEW 上位机发送,移动客户端接收。远程控制表存储的数据为遥控数据,这些数据是由移动客户端发送,LabVIEW 上位机接收。数据库设计如图 4 所示。图 4 数据库设计图在 Web 服务器后端运行着 2 个模块,执行定时删除数据库冗余数据的任务。一个是每天删除 PS1 报警记录、PS2 报警记录、PS3 报警记录表中一星期前的数据:一个是每 10 min 删除电流缓存表中 1 h 前的数据。定时删除冗余数据可以减少客户端请求的延迟时间,使客户端更快的获取到数据。4 移动端设计本文同时使用 C/S(客户端/服务器)结构7-8与B/S(浏览器/服务器)结构,C/S 结构中以 Android APP 为客户端。相较与使用浏览器,使用 Android APP 响应速度更快,用户交互体验更好,缺点是只有安卓设备才能下载使用。使用苹果设备的用户可以通过浏览器使用移动监控系统。不管是使用 Android APP 还是使用浏览器,移动监控系统的功能和界面都是相似的,共有运行、遥控、警报界面,可查看实时电流、电压数据,具有波形图功能、远程遥控功能、查看报警记录功能。4.1 运行功能模块运行界面是初始的默认界面。在此界面中可以查看 3 个电源的电流、电压数据和是否有警报。电流、电压数据是实时更新的,每 s 更新 1 次,且在下方能够看到当前时间前1 h 的电流波形图。是否有警报由状态展示灯显示,无警报时为绿色,有警报时为红色。Android APP 运行界面如图5 所示,浏览器运行界面如图6 所示。图 5 Android APP 运行界面图 6 浏览器运行界面4.2 遥控功能模块在遥控界面可以发送遥控命令,远程遥控设备,具体包括分合10 kV 真空断路器、分合油泵、PLC 远程复位、控制系统本/远控切换等。大功率电气设备的安全运行至关重要,在对这些设备进行遥控操作时,需要先在遥控界面进行密码验证。密码验证通过后,会跳转到远程遥控界面。界面内有 button 按钮和switch 开关,点击可以向服务器发送相应操作的命令。命令在发送前会弹出对话框,确认是否发送命令,以防误触。发出命令后,可以观察状态指示灯,确认命令是否执行成功。以 Android APP 为例,其遥控界面如图 7 所示。4.3 警报功能模块用户可以在警报界面查看最近 1 周的报警记录,报警记录根据时间顺序展示,最新时间的报警记录在46 第 3 期陈庆武等:稳态强磁场电源移动监控系统设计(a)密码验证界面(b)远程遥控界面(c)命令确认界面图 7 Android APP 遥控界面最上方,上拉加载更多的报警记录。在报警记录更新时,Android APP 可以通过通知栏提醒用户,而浏览器不会。Android APP 警报界面如图 8 所示。图 8 Android APP 警报界面5 结束语本文基于 LabVIEW 上位机监控系统,开发电源移动监控系统,将 LabVIEW 上位机监控系统与移动端设备结合,可以随时随地监控电源系统,实时了解系统运行状态,及时发现安全隐患,不用值班人员一直在中央控制室值守,减少工作量,因此电源移动远程监控系统是实现中央控制室未来智能无人值守的重要环节。实验表明:移动电源监控系统稳定可靠。参考文献:1匡光力,邵淑芳.稳态强磁场实验装置及其科学研究J.现代物理知识,2018,30(6):46-55.2 傅文修,王灿,徐烟红,等.稳态强磁场高稳定度电源实时监控系统设计J.仪表技术与传感器,2023(2):59-64.3 程旭.机械故障诊断云服务移动端系统设计D.大连:大连交通大学,2019.4胡斌,张捷.基于 C/S 与 B/S 融合架构的公车管理系统设计与实现J.工业控制计算机,2023,36(7):120-121;132.5 张云龙.基于 LabVIEW 的电气自动化专业虚拟实验系统设计J.信息与电脑(理论版),2022,34(16):105-107.6 张文玲,杨莹,毛亚峰,等.基于 LabVIEW 的光储微网监控系统设计J.电源技术,2020,44(7):1017-1020;1069.7 黄良沛,张逸夫,谭姚,等.输送机工况数据 APP 远程监控系统设计J.金属矿山,2022(4):169-172.8 李璐.基于 Android 的油田电控一体化装置远程监控系统研发D.西安:西安石油大学,2021.作者简介:陈庆武(1999),硕士研究生,主要研究方向为计算机技术。E-mail:2029026889 通信作者:王灿(1985),高级工程师,硕士,主要研究领域为大功率高稳定度电源及其控制技术。E-mail:wangc 56