通信機房電力和溫度檢測的集散控制系統

許國泰 陳兵 王子瑋

摘要：本文主要介紹了在通信機房中，檢測壓縮機電力和室內溫度的集散控制系統。本文利用互感器和傅里葉算法監測空調壓縮機電流和PT100監測各個機房的室溫的控制系統，并通過網絡集成到網頁端，使用IE可以遠程監控到整個機房的狀態。

關鍵詞：互感器；傅里葉算法；CAN BUS

中圖分類號：TP331 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0004-03

通信機房除了需要滿足空間、功能和工藝的需求之外，對于溫度的要求是非常嚴格的。而對于控制溫度，目前普遍采取空調降溫的辦法來控制整個通信機房的溫度。而每個機房的設備的數量，體積與整個機房的面積和結構都是不同的，對于大型集中的通信機房的溫度控制就相當迫切了。

對于溫度的控制，首先源于對空調性能的監測和室內溫度的監測。通過遠程在線web模式觀察和數據庫的錄入，就能對整個通信機房的環境進行整體把握。本文通過對每個機房的各個空調的電源火線的壓縮機瞬間電流和常態電流進行監控，反映出空調工作狀態。結合室內溫度數據，通過CAN BUS總線傳輸到控制機房的主機上，進行對整個集散控制系統的搭建，加強了智能化和可靠性的需求，也使造價昂貴的設備得以可靠運行。

1 通信機房電力和溫度檢測的集散控制系統的系統設計

整個系統分為三塊。第一塊是每個機房內部的空調插座上安裝的電力和溫度測試盒，每一臺空調都配備有這樣一個盒子。第二塊是控制機房里的主控盒子，他通過CAN BUS與每一塊測試盒相連，接受每一個盒子的數據。第三塊是PC主機，通過USB與主控盒相連，得到數據并上傳WEB與錄入本地數據庫。

整個系統最核心的部分就是測試盒，測試盒自帶電源線插入供電插座。而盒子上也會有一個插座，供空調的電源線插入。這樣就可以形成空調的交流電源線經過測試盒來取電。而盒子內部會把電源的火線在盒子內部的電路板的互感器穿過。通過互感器就可以把交流信號取出，經過整流和放大轉換成電壓信號。在送到ADC芯片TLC3544，通過SPI口輸入到處理器。處理器通過交流一周期16個點的高速采樣和軟件傅里葉計算后得到電流值暫存。在此期間，測試盒的溫度檢測通過PT100和放大電路對室內溫度做采樣，1分鐘存儲一次?？刂坪袝诿?0分鐘去請求測試盒的電流數據和溫度數據，通過CAN BUS交互一次。交互后，測試盒會把上傳的數據清零。另外，在測試盒中，本身會對壓縮機電流、常態電流和溫度進行數據比對，若有異常，會亮紅色報警燈和蜂鳴器提醒。

控制盒在未得到PC端的USB請求時，會一直重復各個機房的數據請求操作，并把各機房的數據全部存入控制盒中的NANDFL ASH中。在PC每隔1段時間來請求數據時，上傳數據，但是并不把數據清零，而是打上已讀標記，留作備份。

PC在得到數據后，在本地數據庫記錄系統時間和數據內容。并定時刷新web后臺數據。

如圖1所示，本文的通信機房電力與溫度檢測集散控制系統測試盒圖。

2 測試盒硬件模塊設計

因整個系統的硬件部分主要集中在測試盒中，本章節主要介紹該部分內容。

2.1 電源電路

系統電源采用臺灣明緯生產的SP_15_TA電源供電，該電源可以產生一路3.3V的穩壓電源和兩路±12V的高精度電源。處理器及數字器件的供電電壓都為3.3V，而電流和溫度檢測所用的運算放大器需要正負電源。這款電源符合系統設計的需要。

2.2 處理器電路

處理器選用ATMEL生產的AT91SAM7S64工業級ARM7處理器。該處理器是32位RISC架構的高穩定性工業現場芯片，自帶ADC處理模塊和多個內部定時器中斷，滿足本系統的需求。

2.3 電流采樣和放大電路

本系統電流采樣傳感器選用LAH 25NP進行電流采樣。使用TLC3544進行信號采集。TLC3544是一個14位的AD轉換器。如圖2所示為傳感器原理連接圖。

其中電源供電±12V，我們在M這點連出輸入到AD的模擬端口。傳感器接線方式如表1所示。

因為在實際采樣過程中，AD的量程在0-5V以內，故設極限值為25A，輸出電流為25mA則Rm≈5/0.025=200R。選擇標稱電阻規格，200R（1/2W）1%采樣電阻。在進入AD采樣之前，需要進行橋式全波整流，以便轉換成0-5V的信號。AD轉換器使用14位AD芯片TLC3544。該芯片管腳圖如圖3所示。

模擬電源AVdd接入5V電源，數字電源接入3.3V電源。電流采樣信號模擬輸入接入A0口。輸出為SPI接口方式。

2.4 溫度采樣和放大電路

本系統的溫度采樣通過PT100金屬傳感器進行采樣，通過分壓和放大送達處理器的ADC端，如圖4所示的溫度采樣和放大電路所示。PT100為無源傳感器，本身在0攝氏度時，內阻為100R，根據溫度的變化，內阻會呈現線性的變化。故采用110R電阻分壓后，經過差分放大電路，可以在14位ADC下，分辨率可以達到0.01攝氏度的溫度變化。

2.5 CAN BUS

CAN BUS主要用來與主控制盒通信所用，CAN BUS屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：（1）網絡各節點之間的數據通信實時性強。（2）節點足夠多，方便組網。（3）有標準的協議棧，方便與其他系統擴展。

2.6 電力保護

本系統設計了浪涌（Surge）保護及對快速瞬變（EFT）的保護。另在電源入口增加了防雷電路，可以耐受浪涌耐壓最低標準為AC1500V。在每個芯片電源入口處，增加了電源濾波器電路，進行對EFT的抵抗，使用耦合鉗進行測試可以達到AC1500V，5KHz的測試標準。直流部分增加了三端濾波器進行濾波，在模擬部分增加了低通濾波器等濾波電氣進行抗干擾措施，可以達到一般的工業標準的EMC要求。滿足以上要求的前提為，對大地電阻須小于5歐姆，即必須可靠接地。

3 固件設計

3.1 交流采樣算法

本設計中，最重要的固件環節就是通過傅里葉變換的交流采樣算法。在本系統中，輸入為50Hz的正弦波，假定原始數據為純正弦量的理想采樣值，實際上故障后電流含有各種暫態分量，數據采集系統還會引入各種誤差，所以必需和數字濾波器配合使用。傅里葉算法本身具有濾波特性。不僅能夠完全濾掉各種整次諧波和純直流分量，對非整次高頻分量和按指數衰減的非周期分量包含的低頻分量也有一定的抑制能力。但是如果不采取措施，在最嚴重的情況下，由非周期分量造成的傅氏算法的計算誤差可能大于10%。

利用傅里葉變換，對每周波采樣點數為N的離散采樣系統，n次諧波電壓（或電流）的有效值、實部有效值和虛部有效值和相位分別為：

傅氏算法需要的數據窗長度就等于濾波器數據窗的長度（20ms），然后一個周期內取16個采樣點，這樣既有濾波特性，又可以避免數據失真，這是它的很明顯的優點。

本系統采用處理器自帶的10位ADC，而定時器中斷的時間設置為1.25ms，對于傅里葉交流采樣算法都極為合適。

3.2 溫度采樣算法

本設計中，溫度的定位較為繁瑣，在系統首次使用時，需要對PT100傳感器進行零點定位。即在冰水中測得一個溫度0℃時對應的AD值，然后在近沸水95℃時測得一個值，根據這兩個值，算得本傳感器的斜率k和基礎值b。即Y=kX+b。通過主控制器把這兩個值輸入到處理器，存入片內flash，上電后自動調用。本傳感器之后只能固定在此測試盒使用，無法更換，否則需要重新進行錄入調零操作。

4 結語

通信機房電力和溫度檢測的集散控制系統目前已經在通信機房應用，取得了比較好的效果。在web上，可以一目了然的觀察到所有機房的空調工作情況和溫度情況，唯一不足的是，溫度初始化需要調零，不適合大規模生產，需要改進一種算法，以便適用于更大規模的監控和生產場所。

參考文獻

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