基于组态软件与RS485总线的配电网在线监测系统

分享一下自己研究生期间做过的一个“所谓的”项目，可能也谈不上是一个项目，不过毕竟对于自己来说也是一种经历，受益匪浅，所以还是与大家分享一下~~
项目设计的主要要求就是：
   实现对船舶上（6.6KV）多路变压器、电机的电压U，电流I，有功功率P，无功功率Q，功率因素cos ，有功电能W ，频率f，工作环境温度T进行实时的在线监测。具体的指标和其他要求鉴于保密就不做说明了。
   看到这个基本要求，首先当然是要选方案：6.6KV相对220V来说是高压了，如何获取参数信号？如何由电压U，电流I来获取功率、频率、电能等信号？数据的传输机制？人机交互怎么做？……等等一系列问题都是我们要考虑的~~
   那么先来研究一下别人是怎么做的？陆地变电站是如何实现的？有哪些可借鉴的？
    下面看看陆地电网方案：
       

   从三个陆地电网的框图方案来看，共同点总结为：互感器PT/CT获取母线上的电压电流信号，再根据电压电流信号来分析计算其他的电网参数，继而数据上传机制（以太网，工业总线）实现多站点到终端的通信。
    那么船舶电网是不是也可以采用这样的方案？理论上是可行的，不过在设备选型上是有差异的，而且在工业控制上，可编程逻辑控制器PLC使用较多，用来控制电机、继电器开关，机组的并机等，如下图大连海事大学的教授提出的船舶电站系统图：
   
    参照了已有的大致的系统框架，那么也应该要逐渐建立自己的框架。
        有了框图就是细节方案实施了，明天再继续写吧~~

  接上昨天的
  首先扫一下盲，谈一谈船舶电网的参数监测理论：
  船舶电力基本参数
船舶电力系统的基本参数有电流种类（电制）、额定电压等级和频率标准。它们决定了船舶电站工作的可靠性和电气设备的尺寸、重量、价格等。
（1） 电流种类
由于电源有直流与交流之分，因此船舶电力系统也有直流与交流之分，习惯上称之为直流船和交流船。船舶早期多采用直流电力系统，如今大都已过渡到交流电流，部分有较高调速要求的推进电力系统往往采用直流电制。交流船舶的电气设备在维护和保养方面比直流要少的多。交流船舶又分为单相交流、三相三线、三相四线等几种形式，若采用三相三线制是船舶的照明网络和动力网络没有电的直接联系，所以照明网络基本不影响动力网络。
（2） 电压等级
船舶电力系统中额定电压等级直接影响电力用电设备的类型，技术经济指标和人身安全问题。确定电力系统及其负载的电压等级，是电力系统设计的一项重要内容。船舶电站额定电压有向中压发展的趋势。国际电工委员会建议采用3.3kV电压；英美等国因为陆上有3.3kV和6.6kV电压等级；我国电力推进系统最高允许电压规定直流为1000V，交流为6300V。电压越高，灭弧难度也就越大。
（3） 额定频率
船舶交流电力系统现行额定频率有工频和中频两种。工频是船舶动力电气设备使用的频率，按各国传统习惯，有50Hz和60Hz两种.我国船舶与陆用电源一致，用50Hz的标准频率。美国、韩国等采用60Hz。提高频率在一定范围可提高自动化系统动作的快速性，但对电力系统中部分元件起相反的作用。近年来，国外有些军舰已开始采用400Hz频率供电，我国舰船规范也推荐优先采用400Hz频率。
   船舶电网参数检测对象主要是电网中的电压（U），电流（I），有功功率（P），无功功率（Q），功率因素（cosφ ）频率（f），谐波分析等参数。
   那么如何有PT,CT获取的信号来计算这些参数，查阅资料，得出计算方法：
   

今天谈一谈对互感器的选型注意事项，尤其是针对船舶电网上的PT、CT，选型需要考虑的问题有哪些？
   在船舶电网监测现场硬件选择设计过程中，要求对硬件需求做出准确和可靠地分析，选择符合要求的硬件材料也是项目成功的关键之一。尤其是在互感器的选择方面，只有对现场环境的充分了解才能选出最合适的互感器设备，恰当的硬件选材是高精度在线监测的重要前提。只有做了大量项目实施前调查工作，才能最大限度的降低开发风险、节约开发成本，提高系统的性能。
3.1  现场环境设计要求分析
船舶是一个孤立于海洋上活动的独立体，这使得船舶电网与陆地电网相比有很大差异，除了船舶电网较陆地电网容量小、负载冲击力强特点外，船舶电气设备工作环境与陆地电网相比也是极其恶劣，环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有着严重影响。环境因素的影响主要体现在以下几个方面：
(1) 高、低温
世界海洋覆盖地球表面的71%，船舶是独立于海洋上的个体，各个地方环境温度不同，船舶除了要适应各个地方的高、低温环境外，还包括电气一次设备，电气二次设备的发热问题对设备的影响。当环境温度很高时，会造成电机出力不足，绝缘加速老化等问题，同时为解决高温问题，必定会采取加大负荷排风扇或空调功率，大功率负载波动必然会对船舶电网的稳定造成影响。环境温度过低时，也可能造成部分设备无法正常工作，同时对输电线路传输电能质量造成影响，要保证设备正常工作也必然需要投入电气设备保持船舱温度的合理性，这也变想加大了功率负载。
(2) 高湿度
船舶是行驶在水中的，水面的水汽、雾气不可避免的进入到船舱，使得船舶电网运行在一个高湿度的环境里。当环境相对湿度较高时，会导致电气设备绝缘受潮、发胀、分层及变形等，使绝缘性能降低，并且会使金属部件加快腐蚀，镀层剥落，会严重威胁人身安全。
(3) 盐雾、霉菌
由于船舶大多是工作在海洋里，海水的盐份较高，海上经常容易起盐雾，并且潮湿的环境使船舱容易滋生霉菌，盐雾的存在、霉菌的生长、包括可能存在地油雾和灰尘粘结都会致使电气设备绝缘性能下降，工作性能受到影响。
(4) 振动、冲击
海面上的大风大浪是船舶经常需要触及的情况，风平浪尽的海面那是极少数情况，船舶电气设备需要承受的另一个严峻考验就是振动、倾斜、冲击。当船舶受到严重的振动和冲击时，会造成电气设备的损坏、接触不良、或误操作。
由此可见，船舶电网在线监测设备，包括电压互感器（PT），电流互感器（CT），温度传感器以及数据采集传输模块都要“船用电气设备”的要求。
3.2  现场信号采集系统设计
现场信号采集系统主要是实现对船舶电网中电压、电流、环境温度信号的采集与处理，如何获取这些信号，选择什么样的硬件设备来获取信号时本章节要研究的问题。
3.2.1互感器选择
电压互感器PT是用来采集电网中的电压信号。电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。电压互感器和变压器相像，但是有区别，变压器变换电压的目的是为了输送电能，因此容量很大，而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此电压互感器的容量很小。常见的电压互感器如下图所示。

图3-1 户外三相PT
图3-2 户外单相PT
图3-3 户内三相PT
图3-4 户内单相PT
电流互感器CT也是根据电磁感应原理由闭合的铁心和绕组组成，作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。常见的电流互感器如下图3-5,3-6所示。

图3-5 户内单相CT
图3-6 户外单相CT
船舶电网上电压互感器选型需要考虑的因素包括：电压等级，容量，测量精度，二次变比，环境因素，三相、单相比较等，下面将从这几个方面进行比较分析。
（1）电压等级
目前国际上船舶电力系统普遍电压等级为6.6KV（部分军舰除外），而市场上电压互感器电压等级没有相应的6.6KV，与之相关的电压等级分别为6KV和10KV，或者选择定制。由于是三相交流电压，电压是一个范围内可变化的值，峰峰值会存在着20%的波动，而选择的电压互感器等级时必须满足要求：测量值不会超过最大量程，所以6KV等级的电压互感器不满足要求。因此从量程范围上我们需要选择10KV等级PT，但从测量精度考虑，在线监测系统的精度要求较高， 只有测量电压值在电压互感器等级的80%~120%范围时，互感器测量精度才是最高的，此时测量误差最小，所以，对于6.6KV电网来说，采用10KV等级电压互感器对测量精度会有影响，增大了测量误差，也不满足本项目的要求，那么最终选择定做电压等级为6.6KV电压互感器，尽管成本上会高一些，但工程项目要求是首要考虑的问题。
（2）容量
电压互感器容量主要是涉及到其二次输出带负载的能力，在本项目中PT只做测量用，二次输出连接变送器模块，功耗较小，容量选择30VA即可。
（3）三相、单相比较
电压互感器是安装在船舱的，船舱的体积有限，三相PT体积小于安装三个单相的PT，但当出现故障时，三相PT维修困难，如果出现损坏需要换掉整个PT，单相PT维修方便，单个出现故障其他也可正常运行，所以选择单相PT。
（4）二次变比
市场上常用的二次变比输出有两种，即二次输出为220V和100V，100V为常用标准，并且较220V安全，二次变比输出选择100V。
（5）户内、户外比较
船舶电网监测环境恶劣：震动、盐雾，霉菌，噪声影响严重，尽管互感器是工作在船舱内，但一般户内互感器是无法在此恶劣环境下正常运行的，所以选择抗环境干扰能力强的户外型。
（6）精度
电压互感器精度对整个电网监测系统精度有着重要影响。根据GB1207电压互感器精度分为测量用互感器：0.1、0.2、0.5、1.0、3.0，五个等级分别表示电压误差正负0.1%到3.0%，保护用互感器精度：3P、6P，两个等级分别表示电压误差正负3%和%6，本项目要求是测量用，所以选择最高精度等级0.1，这也是对船舶电网监测系统高精度的有力保障。
船舶电流互感器CT选型同电压互感器PT相似，也包括对二次变比，测量精度，三相、单相等参数的选择，同时CT的选型必须满足能在6.6KV电压等级下运行。鉴于监测环境恶劣，CT选择单相、户外，与PT选型主要区别在于二次变比，测量精度。
（1） 二次变比
电流互感器二此次变比输出主要分为两个等级5A和1A，5A是较为常见等级，主要在电力系统中供检测仪表和控制回路使用，如在本项目中一次电流为400A，则变比为400/5，即电网一次电流为400A，二次输出为5A，变比为80:1，1A等级较为特殊，当互感器二次短路容量大，传输距离远，且要求测量准确时采用1A等级，常在500KV变电站中使用。船舶电网监测系统中选择常用5A等级的CT就能满足要求。
（2） 精度
电流互感器精度从功能上也分为两个等级：测量级和保护级。测量级分为：0.1，0.2，0.5，1.0四个等级，误差范围为0.1%~1%，另外还有一种特殊带S的测量用互感器，精度更高于不带S等级的；保护级分为：5P和10P，5P指保护用电流互感器的精度等级在额定一次电流下的误差为±1%，在额定准确限值一次电流下的复合误差为5%，10P指保护用电流互感器的精度等级在额定一次电流下的误差为±3%，在额定准确限值一次电流下的复合误差为10%。项目要求电流精度为1.5%，考虑系统中其他环节误差，CT精度选择0.2级别。
   通过对上述参数分析，我们的选择是去厂家定做6.6KV等级的PT、CT。

   选好互感器，获取了U/I信号，并且有了其它参数计算公式，那么具体要怎么实现，有哪些技术可以实现的？
   现代典型的电网参数监测技术（对信号进行处理计算的）主要分为三类：
   1.微控制器（MCU）技术方案
20世纪90年代末到21世纪初期，电能质量在线监测采用的主要是MCU（Micro Controller Unit）微控制器技术。互感器采集到的信号经信号调理，模数（A/D）转换后传送MCU，处理器将采集到的频率、电压、电流信号运算处理后得出相应的偏差，不平衡度以及谐波参数等，在LCD上显示相关参数，亦可由串口、USB、以太网接口传送到计算机上显示。
   2.数字信号处理（DSP）技术方案
21世纪初期到现在，科技发展使人们认识到在线监测技术上普通MCU的数据预处理能力有限，而且处理速度慢，实时性差，常用的8位、16位的MCU几乎很难满足要求，32位、64位的性价比又较高，此时数字信号处理DSP（digital singnal processor）技术成功解决了这一难题。DSP以其低价格高速数据处理优势来处理运算量的实时任务，大大提高了在线监测的准确性与实时性。
   3.DSP+MCU技术方案
当信号采样频率较高，信号处理量大，数据管理功能多，人机界面复杂时，电能质量在线监测研究人员发现单纯DSP或MCU实现较困难，于是DSP+MCU技术应用出现。DSP与MCU采用主从结构（MCU为上位机，DSP为下位机），MCU处理实时性要求不高的系统任务，DSP进行数据运算处理。
   上述三种方法的实现技术现在国内已经相当成熟，在工业自动化中已经有成熟产品，我们称之为变送器模块，例如电压变送器，电流变送器，功率变送器，温度变送器，以及集成的电量变送器等。如电流变送器可以直接将被测主回路交流电流或者直流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω 电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻 转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。电压变送器是一种将被测电压信号转换成按线性比例输出直流电压或直流电流并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。功率变送器是将输入电压、电流信号变换为与有功功率、无功功率、功率因数等参量成固定函数关系的标准量输出的、方便二次设备使用的测量装置。另外变送器扩展了通信接口包括普通的串口，RS485，CAN等，方便进行组网与计算机通信。

   变送器支持的通讯模式也是多种多样，选择哪一种通讯模式？工业总线解决了为解决上位机与下位机的多点通信问题。
   目前，工业总线网络分为三大类：FieldBus现场总线网络、HART网络、RS-485网络。
（1）FieldBus现场总线网络
现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络，是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。
FieldBus现场总线并存是现场总线的现状，由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。另外支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。国内较为流行的现场总线有CAN、DeviceNet、PROFIBUS等。
（2）HART网络
HART是由艾默生提出的一个过渡性总线标准，主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号，但该协议并未真正开放，要加入他的基金会才能拿到协议，而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断，近些年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。有很多智能仪表带有[HART圆卡]，支持HART通讯功能。但从国内情况来看，还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控，最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势。
（3）RS-485网络
RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且支持RS485的仪表又特别多。仪表商也纷纷转而支持RS-485/MODBUS，原因很简单， RS485的转换接口不仅便宜而且种类繁多。至少在低端市场上，RS4-85/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。
通过对三大总线网络研究分析，国内分布式系统采用最普遍的为RS-485-MODBUS(RTU)总线网络和CANBUS现场总线网络，下表是当前较流行通讯方式比较。
   表-目前较流行通讯方式特性比较
特性 RS-485 RS-232 RS-422 CAN-BUS
单网络通信距离   1219m       15m 1219m 10km
工作方式 差分半双工   单端全双工   差分全双工   差分半双工
最大传输速率 10Mbps 20Kbps 10Mbps 1Mbps
单总线节点数据 1发32收 1发1收 1发10收 多主多从，110节点
连接线 3线 3线 5线 2线
成本 低 低 低 高，网络规模大时成本较低


   由表可知，在速度和距离上CAN与RS485以1Mbit/S的高速率传输的距离都不超过100m，可谓高速上的距离差不多，但是在低速时CAN以5Kbit/S时，距离可达10km，而485再低的速率也只能到1219米左右（都无中继），因此CAN在长距离的传输上拥有绝对的优势，但在短距离传输RS485速率更具有优势；总线利用率，RS-485是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据，而造成数据错乱，而CAN－BUS是多主从结构，每个节点都有CAN控制器，多个节点发送时，以发送的ID号自动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个节点发完，另一个节点可以探测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快速性，所以在汽车等实性要求高的系统，都是用CAN总线；价格成本，CAN器件价格是RS485器件的2~5倍，RS-485通讯软件方便简单，只要懂得串行通信即可，而CAN通讯需要专门的培训；此外RS-485总线抗噪能力强于CAN总线，RS-485支持半双工通信，平衡发送和差分接收，因此具有较强的模干扰的能力。
   综合比较，船舶电网为短距离传输，所在传输速度上RS-485总线传输速率高于CAN总线，尽管CAN总线总线利用率高，但价格成本远高于RS-485总线，而且大部分工业二次仪表都支持RS-485总线网络，因此全面考虑，分布式船舶电网监测系统选用RS-485总线网络作为数据传输途径。
   再谈一谈RS-485总线组网策略。
   RS-485 标准作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台，以其控制方便、成本低廉等优点，广泛应用于各种工业控制场合。RS-485 网络允许的最大节点数与网络节点所采用的 RS-485 收发器的驱动能力和输入阻抗有关，标准节点数为 32 个，部分收发器支持 400 个节点。实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际节点数均达不到理论值。当网络节点超过标准32个不方便进行总线型布线时，可采用RS-485中继器，改变网络拓扑，增加总线负载，RS-485中继器可增加网络节点数，并且可延长网络传输距离。
   RS-4855网络拓扑不支持环形或星形网络，一般采用终端匹配的总线型结构。由于 RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于单点对多点的通信系统，因此，主机应放置在总线的一端，而不要放置在中间形成主干的T型分布。RS-485信号线宜选用截面积 0.75mm2以上双绞线，将各个节点串接起来，整个总线网络应采用相同的电缆，以确保总线阻抗的连续性，避免信号的反射。并且，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
   为了匹配网络的通讯阻抗，减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效抑制噪声干扰，提高RS-485通讯的可靠性，需要在RS-485网络的2个端点各安装1个120Ω的终端匹配电阻。下图为RS-485网络总线型接线方式。
   在图中可以看到，尽管RS-485 网络采用差分平衡传输方式，但对整个网络必须有一条低阻的信号地回路。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。
还要注意的一个问题是：这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。 但当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。对此，以下几种措施可以解决此问题：
（1）扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信；
（2）地技术，隔断接地环路， 这是较常用也是十分有效的一种方法。当共模干扰内阻很小时，加限流电阻的方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点浮置起来，即将系统的电路地与机壳或大地隔离，这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流；
（3）采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。
对于现有 RS-485 网络中的设备，如果没有 485 公共地端，而经常导致通信不稳定，建议用户采用带隔离接口的设备，以避免设备损坏。
   目前，市场的PC机无论是笔记本还是台式电脑都没有RS-485接口，笔记本只有USB接口，而且台式电脑的低速RS-232串口也正逐渐在被USB接口取代。早期的台式机要实现RS-485总线通讯时，可购买一个RS-232转RS-485模块即可，现在要实现RS-485网络，个人PC机都需要一个USB转RS-485模块。
   给出一个自己设计的USB转RS-485模块PCB板方案：
   USB转RS-485主要是实现USB信号及协议帧转换为平衡差分的RS-485信号和UART协议帧，常用的转换芯片主要有PL2303HX、FT232RL、以及CH341等。采用这些芯片的系列产品无需外加电源、兼容USB1.0/1.1/2.0、RS-422、RS-485标准，能够将USB信号及协议帧转换为平衡差分的RS-422或RS-485信号和UART协议帧，可实现星形USB网络到RS-422/RS-485网络的桥接，相当于一个网桥设备。
台湾的PL2303HX芯片有一定的市场占有率，方案成熟，采用TVS防雷防浪涌技术能有效抗雷击以及各种原因在线路上产生的浪涌电压并且保持了极小的极间电容保证了RS-422/RS-485接口的高速传输。转换器内部带有零延时自动收发转换，独有的I/O电路自动控制数据流方向而不需任何握手信号（如 RTS、DTR等），也无需跳线设置实现全双工 (RS-422)、半双工(RS-485)模式转换，即插即用确保适合一切现有的通信软件和接口硬件，价格便宜，但是当数据量较大时延迟现象严重，容易出现乱码。
英国FT232RL芯片具有宽温、高速、稳定传输特点，它包含了PL2303HX的全部优点，并且采用了TVS和热敏电阻双重防雷防浪涌技术能有效抗雷击以及各种原因在线路上产生的浪涌电压，使转换模块能提供更加可靠的连接，缺点是该芯片的的模块价格十分昂贵。
南京沁恒CH341A芯片是国内使用最普遍的芯片，性能介于FT232RL和PL2303HX之间，可靠性没有FT232RL高，但在波特率为115200常规使用没问题，对于普通应用完全能够满足，价格也介于两者之间。
综合考虑芯片可靠性和价格，选用南京沁恒CH341A芯片作为TTL电平转换芯片，CH341A芯片出来的信号经MAX485收发器接受RS-485网络数据信号。USB转RS-485模块设计的原理图如下图所示：

       画出的实物PCB如下所示：

   今天讲一讲上位机组态监控画面的设计：
   上位机监测系统软件组态王主要实现的功能包括：数据采集、数据处理、报警输出、现场打印等等。软件设计功能框图如下图所示。

   组态王通过COM口采用MODBUS通讯协议将RS-485网络中的数据采集到计算机上显示、存储，下面对各功能做详细介绍。

（1） 系统登录保护
系统登录保护是防止外来人员或其他欲损坏、查询系统数据的第一道安全“门”。非船舶电网监测系统的内部人员是无法登录系统的，用户打开工程文件即需要输入登陆密码。系统工程登录保护设置在软件“工程浏览器”→“工具”→“工程加密”，设置加密密码即完成对系统的登录保护。
（2）开机自检
在系统登录成功后，进入运行状态时，首先进行系统自动巡检，反馈舰船所有监测点的状态数据，网络连接状况等，如有故障或错误，立即报警并显示故障或错误之处。
（3）用户管理
用户管理要实现功能如下图所示，用户管理功能菜单包括：用户登录、用户管理、修改密码，用户注销、退出系统等功能。在船舶电网监测系统中，不同的系统变量，不同的画面有不同等级的权限，系统中用户被划分为不同的用户组，用户登录实现不同权限用户的登录，选择点击按钮“用户管理”下的“用户等录”，登录界面如下图所示，选择需要登录的用户名，输入对应的登录口令即可进入系统；子菜单“用户管理”实际是对用户组合用户名称和安全配置区域的配置管理，高级权限的用户才能对低级权限的用户组进行添加、删除、修改操作，以及编辑安全操作权限等级，“用户管理”界面如下图所示；“修改密码”实现用户登录口令的修改，用户登录成功后，点击“修改密码”出现图5-8界面，输入旧的口令，再输入新的口令，然后校验新的口令，校验无误即可完成用户登录

口令的修改；“用户注销”实现已登录用户的注销，点击“用户注销”按钮，登录用户自动退出；“退出系统”实现安全退出运行中的系统，点击“退出系统”，出现登录界面，输入当前系统用户的登录口令，“确定”后就完成退出系统功能。
（4）曲线查询
组态王软件能够将采集到的数据以趋势曲线的形式展示给用户查询，曲线查询包括实时曲线和历史曲线查询，实时曲线为实时数据的趋势曲线，历史曲线为历史数据库数据趋势曲线。在船舶电网监测系统中，曲线查询功能以“负荷曲线”菜单代替，子菜单分为实时曲线和历史曲线，实时曲线又划分为实时电压曲线、实时电流曲线、实时温度曲线，历史曲线分为历史电压曲线、历史电流曲线、历史温度曲线。
（5）实时数据查询
实时数据查询功能是指系统能将电网中不同电气设备电参数直接实时在线的展示给用户，每一个设备都有自己独立的电网参数展示页面。
（6） 报警输出
报警输出分为故障预警和声光报警。系统中每一个电网参数变量都设定有两个阈值，一个上、下限阈值，防止电压、电流过大而造成重大的损失，当监测到的数据超过了设定的阈值，监测系统会自动推送故障预警页面，使用户警惕可能出现的故障，如果监测到的数据超过了设定的上上、下下限范围，系统将会触发声光报警装置，告警工作人员有故障需要处理。
（7）报表打印
基于组态王的船舶电网监测系统的数据无需导出到Word或者excel表格中，可直接在系统下实现打印的功能。
（8）WEB发布
组态王自6.52版本之后都提供了For Internet应用功能—组态王WEB，支持Internet/Intranet访问。组态王WEB功能采用B/S结构，客户可以随时随地通过Internet/Intranet实现远程监控。组态王进行WEB画面发布时，服务器端除组态王之外，不需要安装其他软件，IE端需要安装Microsoft Internet Explore 5.0以上或者Netscape 3.5以上的浏览器以及JRE插件（第一次浏览组态王画面时会自动下载并安装并保留在系统上）。
（9）系统日志管理
系统日志管理是组态王软件主动提供的一项功能，也就是组态王的信息窗口。它提供了进入系统、离开系统、设置变量、改变运行参数操作等及操作者、操作时间，凡是改变数据库的操作都被记录下来。

   组态关系数据库的选择与设计：

   任何一个系统都需要一个数据库来存储采集到的历史数据。船舶电网监测系统也不例外，目前的数据库种类繁多，如Oracle ,SQL Server,MySQL,ACCESS,DB2,SQLite等等，数据库都各有千秋，Oracle是针对大型系统的数据库，ACCESS与 SQLite 是小型系统的数据库，SQL Server , MySQL是中小型企业使用最多的数据库，选择何种数据库根据系统的需求而定。
在本章的开始部分已经指出组态王软件拥有自己的历史数据库，并且集成了对KingHistorian的支持，对于一些要求不高的，数据量不是特别庞大的，不要求后台更改历史数据的自动化系统而言，选用组态王历史数据库不失为一种好的选择，简洁、方便、完全满足功能需求。组态王历史数据库缺点体现在存储的数据只有装有组态王软件机器才能查询，并且数据不能修改，数据按天存储，最多可存储8000天，如果采用组态王自己的历史数据库就不方便没有装软件的用户查询数据，数据存储格式是专有的，数据存储能力也有限，所以对于数据量庞大，要求高的船舶电网监测系统而言，采用软件集成的历史数据库是不可行的，需要考虑使用组态王的关系数据库。
   组态王可以与其他外部数据库(支持ODBC访问接口)进行数据传输。目前，组态王软件支持的关系数据库主要包括：ACCESS、SQL Server、SyBase、dbase、Oracle等。组态王与关系数据库的数据传输是通过组态王SQL访问功能实现的，它包括组态王SQL访问管理器、配置与关系数据库的连接、SQL函数的使用。SQL访问管理器用来建立数据库列和组态王变量之间的联系，访问管理器分为表格模板和记录体，图5-9为SQL访问管理器，通过表格模板在数据库中创建表格，表格模板信息存储在SQL.DEF文件中；通过记录体建立数据库表格列和组态王之间的联系，允许组态王通过记录体直接操纵数据库中的数据，组态王SQL函数可以在组态王的任意一种命令语言中调用，这些函数用来创建表格，插入、删除记录，编辑已有的表格，清空、删除表格，查询记录等操作。
在比较各关系数据库优缺点后，本系统选用SQL Server数据库，适合大容量数据的应用，后台开发的灵活性，可扩展性强，价格也实惠，能够满足船舶电网监测系统功能需求。