地鐵電力系統(tǒng)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

黃振信

（深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司軌道交通事業(yè)部，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的迅速發(fā)展，蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展節(jié)奏加快，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)水平不斷提高，鉛酸蓄電池產(chǎn)量不斷提升。蓄電池是現(xiàn)代新能源領(lǐng)域重要的組成部分，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中不可或缺，起到關(guān)鍵性的作用[1]。蓄電池是不間斷電源（UPS）的核心，且鉛酸蓄電池在市場(chǎng)份額中占有主導(dǎo)地位，因此也被廣泛應(yīng)用到地鐵電力系統(tǒng)的后備電力儲(chǔ)備。應(yīng)對(duì)供電系統(tǒng)中斷的傳統(tǒng)方法是啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，這種方法必然會(huì)造成用電設(shè)備的短時(shí)間斷電，這在地鐵電力系統(tǒng)等公共安全領(lǐng)域是無法被接受的。不間斷電源為解決供電系統(tǒng)斷電帶來了新的方法，鉛酸蓄電池在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變，電池或電池組可能工作在極端嚴(yán)峻的條件下，極有可能會(huì)因?yàn)殡姵乇旧碣|(zhì)量、壽命或者外部惡劣環(huán)境的影響而導(dǎo)致性能降低甚至失效，從而帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。但是在蓄電池使用過程中的配套監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的發(fā)展還不完善。本文所設(shè)計(jì)的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用戶更加便利于對(duì)電池進(jìn)行集中管理，是典型的集散控制系統(tǒng)，具有風(fēng)險(xiǎn)分散、管理集中的特點(diǎn)，分散工業(yè)生產(chǎn)中不可避免的事故，集中工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)與管理，節(jié)省人力資源開銷[2-3]。很多工業(yè)設(shè)備所處的環(huán)境相當(dāng)惡劣，給工業(yè)控制系統(tǒng)的布線和集成帶來極大的難度。

本文以地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）為研究對(duì)象，針對(duì)鉛酸蓄電池，詳細(xì)探討影響蓄電池性能和壽命的主要因素，具體分析蓄電池參數(shù)與蓄電池性能以及壽命之間的關(guān)系，確定待監(jiān)測(cè)參數(shù)、通信和數(shù)據(jù)傳輸方式，完成基于以太網(wǎng)的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的相關(guān)工作，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)地鐵等設(shè)備密集型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸，降低系統(tǒng)集成難度。研究的主要內(nèi)容包括：參考對(duì)比目前主流測(cè)試蓄電池參數(shù)的技術(shù)和方法，以蓄電池失效機(jī)理和參數(shù)測(cè)量的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，確定系統(tǒng)底層原始數(shù)據(jù)采集方案；研究主控制器與傳感層通信方式，確定2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸方案；以物聯(lián)網(wǎng)為研究主線，確定數(shù)據(jù)獲取、管理的方式，采用以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等技術(shù)滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)24 h現(xiàn)場(chǎng)無人值守；最后完成數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)分層

本課題對(duì)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案參照物聯(lián)網(wǎng)三層模型，分層設(shè)計(jì)。按照數(shù)據(jù)采集、接入融合、人機(jī)交互的流程，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)大致可分為3層：傳感層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4-5]，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖

本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)（PC）、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集模塊3部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器在本次設(shè)計(jì)方案的最底層，對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)三層模型中的傳感層，主要功能是根據(jù)設(shè)計(jì)算法，完成數(shù)據(jù)的搜集和簡(jiǎn)單處理工作；網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)三層模型中的網(wǎng)絡(luò)層，由主控制器和相關(guān)外設(shè)實(shí)現(xiàn)，主控制器在應(yīng)用程序的控制下，發(fā)送相應(yīng)的指令讀取底層數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)；上位機(jī)位軟件對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)三層模型中的應(yīng)用層，提供友好的人機(jī)界面，運(yùn)行在Windows環(huán)境下，用戶可以通過簡(jiǎn)單的操作遠(yuǎn)程獲得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)蓄電池各項(xiàng)參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，算法設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集的方法極為重要，獲取的原始數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)方案的可行性，在本次設(shè)計(jì)中選擇蓄電池內(nèi)阻來表征蓄電池健康狀況。

諧波阻抗法表明被測(cè)蓄電池的內(nèi)部阻抗，即為響應(yīng)電壓與放電電流二者的基波傅立葉系數(shù)的比值[6]。本文通過四線制測(cè)量方法來進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)量，以小電流作為激勵(lì)電源，測(cè)量?jī)?nèi)阻兩端對(duì)應(yīng)的電壓，計(jì)算蓄電池內(nèi)阻。在實(shí)際操作過程中使用四線制測(cè)量方法，如圖3所示。四根線分為兩組，一組用來為底層測(cè)量模塊提供電源在微處理器控制下產(chǎn)生激勵(lì)電流，另一組用于測(cè)量。

圖3 四線制原理圖

硬件上選用意法半導(dǎo)體STM32F030F4P6作為采樣端微控制器，該款微處理器使用的是ARM Cortex M0內(nèi)核，擁有32位數(shù)據(jù)處理寬度，16K ROM、4K RAM；采用其16通道的12位ADC進(jìn)行蓄電池參數(shù)采集。MCU采集得到電壓、電流信號(hào)，并根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算得到蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)，經(jīng)2.4G無線通信方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)采集器原理框圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集器原理框圖

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)(Gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)有的很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都按照OSI模型分層設(shè)計(jì)，所以網(wǎng)關(guān)必須能運(yùn)行在OSI七層模型的幾個(gè)層上[7]，傳輸協(xié)議也是按照OSI模型進(jìn)行工作。數(shù)據(jù)采集器利用2.4G無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸給監(jiān)控中心或服務(wù)器。

MCU是網(wǎng)關(guān)的核心部件，本文選用STM32F107VCT6互連型（Connectivity）系列微控制器，它的以太網(wǎng)控制模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容的以太網(wǎng)MAC，支持全雙工模式，可通過DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。PHY（物理層）和MAC(媒體介質(zhì)訪問層)是由以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)的，在本次設(shè)計(jì)中，所選用的STM32F107VCT6微處理器本身集成了MAC控制器外設(shè)，采用外接一個(gè)PHY控制芯片DP83848（功能模塊如圖4、5所示）的方式，那么STM32F197VCT6中集成的MAC控制器就可以通過IEEE協(xié)議規(guī)定的MII或RMII、串行接口、與PHY（物理層）控制器芯片進(jìn)行連接，構(gòu)成以太網(wǎng)控制器，通過以太網(wǎng)變壓器接口即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。當(dāng)物理層芯片DP83848接收到來自以太網(wǎng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，ARM通過MII接口(媒體獨(dú)立接口)讀取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部通過DMA方式將數(shù)據(jù)寫入SRAM中交給TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)框架圖如5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本次設(shè)計(jì)選用LWIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。選用基于回調(diào)函數(shù)的API編程方法，回調(diào)函數(shù)會(huì)被LWIP代碼直接調(diào)用。它可以被移植到各種操作系統(tǒng)中，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行[8]。在移植LWIP協(xié)議棧后，其中有專門的函數(shù)傳遞當(dāng)前連接的狀態(tài)、建立連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收，為了能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，還需要編寫特定的用戶程序。在協(xié)議棧的初始化過程中設(shè)置了一組適合以太網(wǎng)的MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址作為網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)卡的屬性，如圖6中部分代碼所示。完成時(shí)鐘的同步與校準(zhǔn)并使用ping指令檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否暢通。

圖6 以太網(wǎng)部分屬性配置

4 上位機(jī)軟件

本次設(shè)計(jì)采用可視化編程語言來進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)，在多種可視化編程語言中,VB具有界面設(shè)計(jì)功能強(qiáng)的特點(diǎn)，選擇它作為開發(fā)平臺(tái)，可以快速地創(chuàng)建應(yīng)用程序[9]。用戶只需要在一臺(tái)配有以太網(wǎng)物理接口的PC機(jī)上安裝專用的監(jiān)測(cè)軟件即可。用戶可在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)所完成蓄電池系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測(cè)。

用戶在完成指令認(rèn)證之后即可進(jìn)入監(jiān)測(cè)管理主界面，如圖7所示，主菜單及其功能如下：

節(jié)點(diǎn)配置：用于在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)物理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和位置發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)調(diào)整相關(guān)配置，便于系統(tǒng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。

歷史曲線：搜集在一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)蓄電池單體或蓄電池組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，可直觀簡(jiǎn)潔地顯示蓄電池參數(shù)變化。

歷史數(shù)據(jù)：保存系統(tǒng)周期性的測(cè)量結(jié)果，備于查閱。

歷史警告：記錄一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的警告事件，并詳細(xì)顯示現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的蓄電池組或蓄電電池單體的標(biāo)號(hào)以及故障原因。

圖7 檢測(cè)管理主界面

數(shù)據(jù)保存：在長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)記錄中，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息能反映蓄電池在使用過程中的性能變化，數(shù)據(jù)保存能為進(jìn)一步判定蓄電池的健康狀況提供有力的依據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置所監(jiān)測(cè)的電池相關(guān)標(biāo)稱參數(shù)，包括電池容量、標(biāo)稱容量、標(biāo)稱電壓、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)號(hào)、數(shù)據(jù)自動(dòng)清除時(shí)間、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)添加等。

退出：安全退出監(jiān)測(cè)軟件，清空登錄賬戶、密碼等信息，確保系統(tǒng)安全。

現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)支持以太網(wǎng)通信，通信協(xié)議表如表1所示，部分指令集簡(jiǎn)表如表2所示。

上位機(jī)通過按照約定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送指令，網(wǎng)關(guān)對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析，確定上位機(jī)指令含義，控制底層數(shù)據(jù)采集器執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，獲取所需的蓄電池參數(shù)并組包反饋給上位機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)采集。

表1 軟件通信協(xié)議

表2 部分指令集簡(jiǎn)表

5 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

在網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和可靠性，以蓄電池內(nèi)阻的實(shí)時(shí)測(cè)量為例，通過分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的實(shí)時(shí)內(nèi)阻數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)功能加以驗(yàn)證，測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖8所示。

圖8 測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

大容鉛酸蓄電池的放電時(shí)間長(zhǎng)，且內(nèi)阻一般較小，在毫歐級(jí)別，因此在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，蓄電池內(nèi)阻變化非常小。為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試與操作，選用標(biāo)稱為12V/100Ah的閥控鉛酸蓄電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在數(shù)據(jù)采集器地址為01.01.01的蓄電池的極柱一端串連2 mΩ、4 mΩ的電阻，模擬蓄電池放電過程中內(nèi)阻的變化情況，分別測(cè)量在未串連電阻時(shí)和串聯(lián)電阻之后的蓄電池等效內(nèi)阻，分別發(fā)送指令讀取地址編號(hào)為01.01.01的蓄電池最近一次等效內(nèi)阻：

P-LEB 90 0A 01 01 01 01 B3

L-PEB 90 0A 01 01 01 05 B3 D1 D2 D3 D4得到結(jié)果如表3所示。

表3 歐姆內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果mΩ

從表3可看出，這種測(cè)量方法的可重復(fù)性在2%以內(nèi)，可準(zhǔn)確反映出蓄電池在放電過程中的內(nèi)阻值變化，這種測(cè)量方法在原理上是可行的。從數(shù)據(jù)的一致性可以看出在網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸未出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂和丟包等現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能滿足設(shè)計(jì)要求。