服務(wù)器系統(tǒng)雙電源自動(dòng)切換的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 霏,蔣天翔,李繼松,芮彬詞

(1.南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,江蘇 南通 226000;2.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通 226000)

印染工廠車間正常生產(chǎn)的過(guò)程中,物料的信息由一套完備的SAP服務(wù)系統(tǒng)控制,物料的代碼、數(shù)量以及在制品的貨號(hào)等都錄入系統(tǒng)中,這些對(duì)于生產(chǎn)、銷售等部門至關(guān)重要。但是服務(wù)器的運(yùn)行需要持續(xù)穩(wěn)定的供電系統(tǒng),遇到電壓波動(dòng)或者雷電斷電,服務(wù)器就會(huì)宕機(jī),需要很長(zhǎng)的時(shí)間重啟恢復(fù)。同時(shí)再次送電后需要總服務(wù)器系統(tǒng)重啟命令,這里存在6 h的時(shí)差。因此服務(wù)器故障就會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間,生產(chǎn)車間不能正常使用SAP系統(tǒng),會(huì)給整個(gè)工廠運(yùn)行帶來(lái)較大損失。現(xiàn)在急需一種能夠過(guò)濾這種電壓的波動(dòng)且成本低的裝置,能讓服務(wù)器最大限度穩(wěn)定運(yùn)行。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于工廠供電系統(tǒng)主要依據(jù)負(fù)載的重要性程度考慮方案,一般工廠的雙電源供電系統(tǒng)還只能在現(xiàn)場(chǎng)的配電間進(jìn)行操作與狀態(tài)觀察。當(dāng)發(fā)生一路電源緊急故障時(shí),另一路電源還需要現(xiàn)場(chǎng)人員手動(dòng)操作完成,這樣很不利于管理。隨著工廠內(nèi)電源穩(wěn)定性要求的提高,部分服務(wù)器系統(tǒng)關(guān)系到生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因此需要對(duì)重要的負(fù)載設(shè)備進(jìn)行雙路電源供應(yīng),同時(shí)在兩路電源均故障時(shí),能夠及時(shí)響應(yīng)并發(fā)送通知給維護(hù)人員,做到人為緩沖關(guān)閉服務(wù)器或及時(shí)恢復(fù)電源供電[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

服務(wù)器需要一直保持持續(xù)不間斷供電狀態(tài),不可出現(xiàn)1 s的電壓波動(dòng)或丟失。如果給服務(wù)器供應(yīng)雙電源系統(tǒng),在A電源向B電源切換的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)瞬間停電狀態(tài),大約2 s的間隙。雙電源自動(dòng)切換開關(guān)無(wú)法做到不間斷切換模式,否則成本代價(jià)很高。因此在雙電源開關(guān)輸出回路上考慮增加一個(gè)UPS供應(yīng)模塊作為過(guò)渡橋,來(lái)解決切換時(shí)2 s斷電間隙問(wèn)題。

如圖1所示,為服務(wù)器設(shè)計(jì)的電源控制柜采用兩個(gè)獨(dú)立電源進(jìn)入方式,一用一備。當(dāng)正常使用電源丟失時(shí),雙電源開關(guān)將自動(dòng)切換至另一路備用電源。雙電源開關(guān)具備簡(jiǎn)單的控制輸出和液晶顯示狀態(tài)功能,同時(shí)搭載485通信功能。電柜里還增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊,其具備網(wǎng)關(guān)功能,可以連接現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線WiFi信號(hào),發(fā)送雙電源開關(guān)數(shù)據(jù)給手機(jī)客戶端[2]。管理員通過(guò)手機(jī)APP軟件可以查看當(dāng)前雙電源開關(guān)電柜的運(yùn)行狀態(tài),即服務(wù)器的運(yùn)行電流、電壓以及開關(guān)位置狀態(tài)。如果主電源發(fā)生電源故障,手機(jī)將會(huì)收到監(jiān)控模塊推送的電源報(bào)警信息,同時(shí)搭載的UPS電源自動(dòng)向服務(wù)器供電,直到主開關(guān)切換至備用電源。如果當(dāng)兩路電源同時(shí)發(fā)生故障時(shí),UPS也會(huì)向服務(wù)器提供至少2 h的工作電源,從而保證工作人員在接到報(bào)警信息后,有充足的時(shí)間對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行正常關(guān)機(jī)準(zhǔn)備或恢復(fù)至少一路的供電能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 雙電源自動(dòng)切換開關(guān)

電源控制柜使用CAP3-125/4IN II型自動(dòng)切換開關(guān)組件,它主要用于50/60 Hz,額定工作電壓在AC230/400 V的電源系統(tǒng),當(dāng)一路電源發(fā)生異常而進(jìn)行電源之間的切換,保證其供電的連續(xù)性和可靠性。

圖1 服務(wù)器雙電源供應(yīng)架構(gòu)

如圖2所示,雙電源開關(guān)分為執(zhí)行結(jié)構(gòu)和液晶顯示單元。開關(guān)的上端分別有主電源和備用電源的三項(xiàng)四線接入端子,下方為一路三相四線的負(fù)載輸出端子。左側(cè)的旋轉(zhuǎn)箭頭狀態(tài)指示此時(shí)開關(guān)在常用主電源位置,右側(cè)的旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)開關(guān)指示在自動(dòng)位置[3]。

圖2 雙電源切換開關(guān)

液晶顯示屏中,操作按鈕選擇工作模式為“自投自復(fù)”模式,即當(dāng)備用電源正常時(shí),如果常用主電源發(fā)生故障,則經(jīng)過(guò)設(shè)定的轉(zhuǎn)換動(dòng)作延時(shí)時(shí)間t1自動(dòng)換接至備用電源。而當(dāng)常用電源恢復(fù)正常后,則經(jīng)過(guò)設(shè)定的返回轉(zhuǎn)換延時(shí)時(shí)間t2從備用電源自動(dòng)切換至常用電源。在切換的過(guò)程中,隨著指示燈閃爍和箭頭的旋轉(zhuǎn)可以很明顯看出開關(guān)的狀態(tài)變化。操作人員也可以將旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)開關(guān)切換到手動(dòng)模式,且無(wú)關(guān)人力操作,僅是按鈕選擇,保證操作者的安全。通過(guò)電磁兼容,可應(yīng)對(duì)頻繁轉(zhuǎn)換及各種惡劣環(huán)境的使用[4]。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警設(shè)備

為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)雙電源開關(guān)的動(dòng)作情況,在系統(tǒng)中增加了網(wǎng)關(guān)報(bào)警模塊。采用MNGate301模塊,它具備4G和WiFi以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)接入功能,自適應(yīng)端口強(qiáng)。同時(shí)自帶RS485和RS232串口接入功能,滿足不同的硬件模塊通信口連接,可支持?jǐn)?shù)據(jù)采集功能和PLC遠(yuǎn)程上下載程序[5]。

如圖3所示,雙電源開關(guān)自帶有RS485通信接口,通過(guò)兩線制連接至網(wǎng)關(guān)模塊的485接口,采用MODBUS協(xié)議通信獲取雙電源模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了保證無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊在沒(méi)有備用電源的情況下仍然能夠發(fā)送報(bào)警信息,在雙電源開關(guān)的負(fù)載電源上設(shè)計(jì)增加小型UPS電源并供給至開關(guān)電源,再由開關(guān)電源輸出直流24VDC供應(yīng)工作電壓給網(wǎng)關(guān)模塊。這樣網(wǎng)關(guān)模塊再經(jīng)過(guò)軟件組態(tài),就可以讀取主開關(guān)的狀態(tài)信息,如常用/備用位置的檢查,欠壓和過(guò)壓保護(hù)數(shù)據(jù)[6]。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警設(shè)備采用明牛云組態(tài)軟件編寫程序。如圖4所示,雙電源開關(guān)的通信模塊中將會(huì)給定每個(gè)數(shù)據(jù)變量的地址和讀寫標(biāo)準(zhǔn)。在硬件通信正常的基礎(chǔ)上,設(shè)定好網(wǎng)關(guān)模塊為主站,雙電源開關(guān)為從站地址1,統(tǒng)一設(shè)置波特率19200,偶校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)位值即可。如反應(yīng)主開關(guān)模式的地址位數(shù)據(jù)403074.2,表示讀寫方式為只讀,數(shù)據(jù)類型為16位,該數(shù)據(jù)的第2位置的二進(jìn)制數(shù)值為0代表自動(dòng)模式,1代表手動(dòng)模式。雙電源常用主電源合閘,數(shù)據(jù)地址為403073.1的數(shù)值為1,而雙電源備用合閘數(shù)據(jù)地址403073.2的數(shù)值為0。主開關(guān)還提供了三相電壓值的狀態(tài),如欠壓報(bào)警和過(guò)壓報(bào)警,以及雙電源開關(guān)整體系統(tǒng)的故障報(bào)警,以上數(shù)據(jù)均可以實(shí)時(shí)讀取[7]。

為了達(dá)到100%服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)控,如服務(wù)器被誤操作關(guān)閉,這時(shí)雙電源系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)測(cè)到故障信息,網(wǎng)關(guān)模塊也不會(huì)主動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息給管理者。因此,設(shè)備還需要監(jiān)控負(fù)載服務(wù)器的工作狀態(tài)。通過(guò)數(shù)據(jù)收集,可以了解到服務(wù)器正常工作時(shí),負(fù)載電流值穩(wěn)定在5 A左右,因此可以設(shè)定主電源開關(guān)負(fù)載線路上電流值低于1 A左右值即可認(rèn)定服務(wù)器負(fù)載斷開或關(guān)閉,此時(shí)需要及時(shí)查找服務(wù)器的故障原因。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的組態(tài)界面

如圖5所示,電控柜上安裝的電能表具備485通信采集功能,由它實(shí)時(shí)采集負(fù)載電流值,然后網(wǎng)關(guān)模塊增加從站2號(hào)讀取電能表內(nèi)寄存器電流值,并設(shè)定了雙電源負(fù)載電流值小于1.0 A即認(rèn)定服務(wù)器故障,發(fā)送報(bào)警內(nèi)容給管理員,從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋監(jiān)控,使服務(wù)器的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

圖5 服務(wù)器的電流監(jiān)控

4 應(yīng)用效果

登錄云平臺(tái)賬號(hào)后得到的實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)電腦網(wǎng)頁(yè)界面如圖6所示。管理員也可以隨時(shí)使用手機(jī)APP軟件遠(yuǎn)程連接云平臺(tái),獲取網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)信息。從圖6中可以看出,雙電源開關(guān)為自投自復(fù)模式,備用和常用相電壓均是正常電壓水平。

如圖7所示,管理員通過(guò)手機(jī)APP軟件顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),組態(tài)相應(yīng)的報(bào)警條件。從圖7中可看到當(dāng)發(fā)生電源開關(guān)切換時(shí),雙電源開關(guān)將狀態(tài)數(shù)據(jù)通信傳輸給網(wǎng)關(guān)模塊,網(wǎng)關(guān)模塊內(nèi)部程序組態(tài)了報(bào)警發(fā)送功能,然后發(fā)送至云平臺(tái),最后云平臺(tái)將報(bào)警信息以短信形式發(fā)送至管理員手機(jī)。整個(gè)過(guò)程的延遲不超過(guò)5 s,足夠管理人員接收到報(bào)警信息進(jìn)行快速響應(yīng)。不論備用電源是否正常,服務(wù)器的UPS電源會(huì)在切換過(guò)程自動(dòng)進(jìn)入工作模式,無(wú)間隙供應(yīng)服務(wù)器電源,直到現(xiàn)場(chǎng)電源在2 h內(nèi)修復(fù)即可[8]。

圖6 電腦網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控結(jié)果

圖7 手機(jī)APP監(jiān)控畫面及短信報(bào)警消息

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)增加主開關(guān)的雙電源進(jìn)線,保證了一用一備的電源回路,服務(wù)器同時(shí)掛載大容量UPS電源,保證在電源切換時(shí)或電源產(chǎn)生故障時(shí),能夠短時(shí)間供應(yīng)服務(wù)器不間斷電源且不受外部干擾。增加的網(wǎng)關(guān)監(jiān)控模塊不僅能監(jiān)測(cè)到主開關(guān)的動(dòng)作位置,及時(shí)告知管理員檢查電源回路,還能夠監(jiān)測(cè)負(fù)載的通斷狀態(tài),實(shí)現(xiàn)負(fù)載的反饋運(yùn)行機(jī)制,百分百監(jiān)控服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定。