集裝箱式電源系統安全監控設計

閔慶偉，于水英，付志超，孫　佳（.湖北長海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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集裝箱式電源系統安全監控設計

閔慶偉1，2，于水英1，付志超1，2，孫佳1，2
（1.湖北長海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：針對集裝箱式電源系統的安全性需求，研制了集裝箱安全監控系統。本文介紹了安全監控系統的組成、控制策略和實現方式；詳細介紹了安全控制箱的硬件設計和軟件設計。實踐表明該安全監控系統在應用中滿足設計指標和可靠性要求，為集裝箱式電源系統的安全可靠運行提供有力保障。

關鍵詞：電源系統集裝箱安全監控

0　引言

蓄電池電源系統主要用作工業系統的備用電源、大型化工廠及鋼鐵廠的應急電源、風力發電廠和太陽能發電廠的儲能電源。工程項目中要求提供成套系統設備，即集裝箱式電源系統，它包括：集裝箱結構體、蓄電池組、電池巡檢系統、安全監控系統，甚至充放電設備。

蓄電池在充電反應會產生熱量，氧復合過程也會產生熱量，而貧液式閥控電池因本身的熱容量較小，散熱條件差，又無流動電解液可提供對流散熱方式，且采用裝配工藝亦不利于散熱等都會造成電池的熱量難于發散。長期維持在均充電壓上并居高不下，使蓄電池起了與水的電解槽相仿的作用，不但產生熱量大而且析氫量大增，導致電池過分頻繁地開閉控制閥，損失電池內的水分，甚至出現“熱失控”現象，所以閥控電池在制造和使用中必須考慮散熱、通風措施，保證蓄電池組的安全。

1　安全監控系統設計

本文介紹的集裝箱式電源系統主要包括：集裝箱結構體、兩組閥控鉛酸蓄電池、電池巡檢系統、安全監控系統。

集裝箱安全監控系統的任務是監控蓄電池集裝箱內部的氫氣濃度、溫度，并通信接收電池巡檢系統的信息。當監測到安全數據超過安全控制值時，通過安全控制策略進行安全報警提示，并自動控制風扇，有效控制集裝箱處于安全的氫氣濃度、溫度范圍內，保證集裝箱式電源系統安全可靠運行。

集裝箱安全監控系統由防爆安全監控箱、防爆操控板、氫氣濃度傳感器（3個）、溫度傳感器（8個）、行程開關（2個）、報警器、防爆風扇（2個）、防爆照明燈（3個）、防爆線纜等組成，具體結構關系如圖1所示。

圖1　集裝箱安全監控系統框圖

風扇、照明燈、傳感器安裝于集裝箱結構內頂部，3個照明燈和2個風扇間隔安裝在頂部長方形的中線上；3個氫氣濃度傳感器、3個溫度傳感器均勻分布長方形對角直線，氫氣濃度傳感器安裝在一條對角線上，溫度傳感器安裝在另一條對角線上，另外5個溫度傳感器安裝在電池臺架上。2個行程開關安裝在集裝箱門內部，檢測集裝箱門的開和關，行程開關提供1對常開和常閉觸點。

操控板安裝在集裝箱外壁，主要有AC220V電源連接器、手動風扇控制開關、手動照明燈控制開關；報警器安裝在集裝箱外頂部。

安全控制箱安裝在集裝箱內部，主要監測氫氣傳感器信號、溫度傳感器信號、行程開關觸點信號，同時接收電池巡檢系統通信信號，通過控制策略判斷控制風扇、照明燈、報警器的啟動與停止。

2　安全監控系統控制策略

安全控制策略分為手動和自動兩部分，根據系統設計要求，手動部分功能有：控制板的照明燈開關、風扇開關，手動控制照明燈、風扇的開啟和關閉；安全控制箱的消音開關、復位開關，在報警時手動控制報警消音和復位。

自動檢測部分是安全監控的重點，在無人值守時關系到集裝箱電源系統的安全，主要功能有：

1）當集裝箱內任何一個溫度傳感器探測到溫度達到40℃時，自動啟動排風扇、照明燈和外部聲光報警器；當溫度低于35℃時，聲光報警器與排風扇自動停止；

2）在溫度報警過程中，可按安全控制箱上的消音按鈕，對外部的聲光報警器進行停止，而排風扇繼續工作，直到溫度低于35℃時停止；

3）當集裝箱內任何一個氫氣傳感器探測到氫氣的濃度達到25%LEL時，自動啟動排風扇、照明燈和外部聲光報警器；當濃度低于12%LEL時，聲光報警器與排風扇自動停止；

4）在氫氣報警過程中，可按安全控制箱上的消音按鈕，對外部的聲光報警器進行停止，而排風扇繼續工作，直到濃度低于12%LEL時停止；

5）電池巡檢系統通信提供電池的電壓、溫度狀態的警告、報警信息，安全控制箱控制風扇啟動、報警器聲光報警；

6）按安全控制箱上消音鍵后，如果氫氣深度或溫度達到設定的報警值，外部聲光報警器可以恢復報警，排風扇能夠重新啟動；

7）按安全控制箱上的復位按鈕，可對整個系統進行復位，復位后若氫氣濃度或溫度沒有超過設定值時，排風扇和外部報警燈應停止工作；

8）風扇的啟動/停止不能連續反復進行，最少運行或停止1min，保證設備安全。

表1　手動開關狀態表

表2　自動狀態控制表

3　安全控制箱硬件設計

安全控制箱是安全監控系統的核心部分，安全控制箱由防爆箱體、DSP控制器、控制電路、24DC電源等組成。功能的實現主要由DSP控制器和控制電路組合實現，下面詳細敘述DSP控制器設計和控制電路設計。

3.1控制器設計

根據安全監控系統功能需求，檢測和控制對象信號類別及數量分析，控制器硬件采用DSP2812芯片開發并且標準化設計，主要資源包括：8路4-20 mA電流信號采集，8路PT1000溫度信號采集，16路DC24V數字輸出，16路DC24V數字輸入，1路標準CAN總線通信，2路RS485串口通信，控制器資源框圖如圖2所示。

圖 2　DSP控制器框圖

系統研制調試后，氫氣濃度監測的精度1%LEL，溫度監測的精度為1℃，數字量輸出信號接口能力為DC24V/0.5A，數字量輸入信號接口能力DC24V/0.5A，滿足安全監控系統的檢測精度和控制驅動能力。

3.2控制電路設計

安全監控系統設計從系統可靠性和人工干預角度保證集裝箱的安全，所以系統設計應考慮手動控制和自動控制，同時應該考慮在控制器失效的情況下能手動強制啟動風扇，這些功能的實現需要在控制電路設計中考慮。

正常工作時三個照明燈同時點亮，兩個風扇一用一備。如風扇的控制考慮手動和自動控制，同時考慮在控制器失效的情況下手動控制，所以在控制電路中要求弱電控制和強電控制，且兩者互不干擾，同時要求實時檢測風扇的工作狀態，考慮風扇備用情況。考慮到電路簡單可靠，設計安全控制箱的控制電路如圖3所示。

圖3　控制電路圖

4　監控軟件設計

安全監控系統軟件是一個嵌入式軟件，軟件基于Windows XP平臺采用CCStudio v3.3開發，程序主要功能包括：氫氣濃度傳感器信號采集、溫度傳感器信號采集、數字量輸出控制、數字量輸入采集、CAN通信處理、控制策略模塊等等。

監控軟件的核心是安全監控策略的實現，安全監控系統中涉及到多個檢測輸入對應多個控制輸出，在軟件實現過程中需要考慮事件發生的邏輯關系和優先級，所以對輸出的對象設置多層中間變量，保證邏輯關系的觸發和優先級的判斷分開設計，最后統一硬件輸出，具體監控流程如圖4、圖5、圖6所示。編寫軟件時根據表2自動狀態控制表設計中間變量，如：變量風扇Fan、燈Lamp、報警Arm，根據觸發事項命名Fan1、Fan2、Fan3、Fan4、Fan5等等，實現邏輯關系和控制優先級的區分。

圖4　溫度判斷控制流程

圖5　氫氣判斷控制流程

5　結論

本文介紹了集裝箱式電源系統，詳細介紹了集裝箱安全監控系統的組成、控制策略、實現方式。通過多輪次試驗調試和運行試驗，該安全監控系統滿足設計指標和可靠性要求，為集裝箱式電源系統的安全可靠運行提供有力保障。

圖6　統一輸出控制流程

參考文獻：

［1］電力工程設計應用手冊：STAR牌GFM型閥控密封鉛酸蓄電池［M］.河南電力勘測設計院，2001.1.

［2］顧衛鋼.手把手教你學DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.4.

［3］趙惠峰，喬長君.低壓電氣控制線路圖冊.北京：化學工業出版社，2013.3.

Design of Safety Monitoring for Container-type Power Supply System

Min Qingwei1.2，Yu Shuiying1，Fu Zhichao1，2，Sun Jia1，2
（1.Hubei Greatsea New Power Technology Co.，Ltd，Ezhou 436070，China； 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:According to the safety requirement of the container type power supply system，the container safety monitoring system is developed.This paper introduces the composition，control strategy and implementation of safety monitoring system，and describes the hardware design and software design of the safety control box in detail.The practice shows that the safety monitoring system to meet the design requirements and reliability in the application，and the design provides a powerful guarantee for the safe and reliable operation of the container type power supply system.

Keywords:power supply system； container； security monitoring

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0026-03

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：閔慶偉（1967-），男，高級工。研究方向：鉛酸電池。