UPS實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計

周 波，劉春玉，王 毅

(武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070)

隨著功率器件和控制技術的發(fā)展，不間斷電源(uninterruptible power system，UPS)已經(jīng)運用于越來越多的行業(yè)。UPS系統(tǒng)本身的容量和電池的壽命是有限的[1]，如果使用人員無法及時獲取相關信息，那么會造成不可估量的損失。監(jiān)測UPS系統(tǒng)的運行狀態(tài)、對其進行故障診斷、發(fā)出報警信息和及時的控制是非常必要的。同時創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)記錄UPS的各種信息，方便使用人員以后分析和診斷也是很有必要的。

筆者以雙變換在線式 UPS[2－3]為架構，介紹了系統(tǒng)的主電路和輔助電路設計。用蜂鳴器、LED指示燈和基于Visual Basic開發(fā)的監(jiān)控軟件來對UPS系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。

1 UPS硬件電路

1.1 主電路結構

UPS的種類很多，筆者設計的是一種雙變換在線式UPS架構，它是單相市電輸入，高質(zhì)量的單相220 V50 Hz輸出的3 kW的UPS。其主電路由整流電路、PFC[4]升壓電路、逆變電路、蓄電池組、濾波電路和轉換開關等部分組成，如圖1所示。

該雙變換在線式UPS總共有3種工作方式，以逆變電路供電為主。3種工作方式中，由轉換開關實現(xiàn)旁路供電、市電整流供電和蓄電池供電之間的切換。

圖1 主電路結構圖

工作方式1:當市電正常時，一方面負載由市電整流、升壓、逆變后供電，另一方面，若蓄電池組電量不足，市電整流后通過雙向DCDC變換器給蓄電池充電。市電經(jīng)過輸入濾波電路后，再進入整流電路、PFC升壓電路和逆變電路，之后經(jīng)過輸出濾波電路得到高質(zhì)量的220 V50 Hz的交流電壓，給負載供電。

工作方式2:當市電異常時，負載由蓄電池組逆變后供電。蓄電池組的電壓經(jīng)過雙向DCDC進行升壓和逆變電路后，經(jīng)過輸出濾波電路給負載供電。

工作方式3:當逆變器異常時，負載由市電直接供電。

1.2 控制電路結構

UPS的控制電路包括采樣單元、微處理單元(micro control unit，MCU)和監(jiān)控單元，如圖2所示。采樣單元包括電壓采樣、電流采樣和溫度采樣;微處理單元選用TI的TMS320F2812;監(jiān)控單元包括蜂鳴器、系統(tǒng)指示燈和PC機。采樣單元檢測和轉換主電路的電壓、電流和溫度信號，傳遞給MCU，MCU根據(jù)采樣結果發(fā)出指令，產(chǎn)生主電路的IGBT(insulated gate bipolar transistor)的脈寬調(diào)變控制信號、蜂鳴器的控制信號、系統(tǒng)指示燈的控制信號，以及PC機上位機軟件所需要的數(shù)據(jù)。使用人員可以通過PC機的上位機軟件發(fā)出控制指令給MCU，MCU再控制主電路的運行。

圖2 UPS控制電路結構圖

蜂鳴器的作用是向使用人員發(fā)出聽覺報警信息，當蜂鳴器鳴叫后，使用人員要去查看鳴叫原因。它在以下情況會發(fā)出鳴叫:①當市電異常時，負載由蓄電池組逆變后供電，蜂鳴器鳴叫聲音小且鳴叫時間間隔較長;②當逆變器異常時，負載由市電直接供電，蜂鳴器鳴叫聲音大且鳴叫時間間隔較短;③當UPS系統(tǒng)溫度稍高或負載率較大但未超過警戒線時，蜂鳴器鳴叫聲音小且持續(xù)鳴叫;④當UPS系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，蜂鳴器鳴叫聲音大且持續(xù)鳴叫。

指示燈的作用是向使用人員發(fā)出視覺報警信息。整個系統(tǒng)共有兩個指示燈:一個指示控制電路是否正常;一個指示主電路是否正常。

PC機通信采用RS－485遠程串行通信接口與RS－485轉RS－232相結合的方式，既能發(fā)送數(shù)據(jù)給PC機上位機，也能接收來自PC機上位機的數(shù)據(jù)。

2 基于VB的上位機監(jiān)控軟件

2.1 軟件設計流程

上位機監(jiān)控軟件的基本功能有監(jiān)測、控制、報警和數(shù)據(jù)存儲。軟件設計流程圖如圖3所示。

UPS監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計包括程序編寫和界面設計，程序編寫主要是串口通信和數(shù)據(jù)庫，界面主要包括菜單和4組顯示界面。

2.2 串口通信

VB能夠利用MSComm控件十分方便地開發(fā)出計算機串口通信的應用程序。主要流程為[5]:

(1)引用MSComm控件。選擇“部件”;點擊“控件”;添加“Microsoft Comm Control6.0”。

圖3 軟件設計流程圖

(2)串口初始化。選擇端口號;設置接收和發(fā)送數(shù)據(jù)類型;設置數(shù)據(jù)長度;設置波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位;設置OnComm事件響應方式。

(3)數(shù)據(jù)接收。接收到一個字符;產(chǎn)生On－Comm事件;進入OnComm函數(shù);判斷數(shù)據(jù)類型;保存數(shù)據(jù)→數(shù)制轉換。

(4)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)制轉換;將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到輸出緩沖區(qū)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

VB有很強大的數(shù)據(jù)庫編程能力，在開發(fā)數(shù)據(jù)庫軟件時可以使用 ADO[6](ActiveX Data Objects)作為數(shù)據(jù)訪問接口，但是如果要在軟件運行過程中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和表，則必須引用對象庫ADOX[7](Microsoft ADO Ext.for DDL and Security)，它是對ADO的擴展，可以用于創(chuàng)建、修改和刪除數(shù)據(jù)庫對象。

在UPS監(jiān)控軟件運行過程中，自動建立一個Access數(shù)據(jù)庫，然后在數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建時間、日期、電網(wǎng)電壓和故障等字段，以及存儲串口接收到的各種數(shù)據(jù)，其主要流程為:

(1)創(chuàng)建以年月日分類的文件夾集合。首先在指定盤創(chuàng)建名稱為“UPS歷史數(shù)據(jù)”的根文件夾，然后創(chuàng)建以年、月、日分類的子文件夾。用Dir函數(shù)依次判斷指定文件夾是否存在，如果不存在，則用MkDir函數(shù)創(chuàng)建相應文件夾。

(2)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。使用ADOX對象模型中的Catalog對象來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。先判斷當天的數(shù)據(jù)庫是否已經(jīng)存在，如果不存在，就創(chuàng)建當天的數(shù)據(jù)庫。首先聲明Catalog對象，利用Catalog對象的.Create(ConnectString As String)方法創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，ConnectString的內(nèi)容包括:Microsoft Jet OLEDB驅(qū)動程序的版本號，此處用的版本是4.0，可以創(chuàng)建和訪問Access 2003[8]版本的數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)庫存儲地址，如已創(chuàng)建好的日期文件夾;數(shù)據(jù)庫名稱，如“UPS歷史數(shù)據(jù)+當前日期”。

(3)創(chuàng)建表和字段。表是數(shù)據(jù)庫窗體、報表、頁等所有對象的基礎，一個Access數(shù)據(jù)庫中至少應該包含一個表。

創(chuàng)建表使用的是Table對象，首先聲明對象，用Table對象的.Name屬性為表命名，比如“UPS歷史數(shù)據(jù)”，然后創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，利用Catalog對象的.Tables.Append(Item)方法創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)表。

創(chuàng)建字段使用的是Column對象，首先聲明對象，用Column對象的.Name屬性為第一個字段命名，比如“日期”，然后利用Table的.Columns.Append(Item)方法創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)表，Item包含數(shù)據(jù)類型、字段大小、主鍵和其他屬性。

重復創(chuàng)建字段的操作，依次創(chuàng)建時間、工作模式、電網(wǎng)電壓、歷史故障等字段。字段創(chuàng)建好以后就斷開數(shù)據(jù)庫連接，防止與串口通信或其他程序沖突。

(4)添加新的數(shù)據(jù)記錄。設置一個存儲數(shù)據(jù)標志位，點擊菜單欄的“開始存儲數(shù)據(jù)”，標志位置“1”;點擊菜單欄的“斷開數(shù)據(jù)庫”，標志位置“0”。

當標志位為“1”時，每次串口接收到數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)處理以后，就添加新的記錄到表中。方法為:首先聲明Recordset對象，然后連接到數(shù)據(jù)庫，打開“UPS Data”表，利用 Recordset對象的.AddNew命令添加新的記錄，利用 Recordset對象的.Fields(i).Value屬性添加每一項記錄，添加完成后利用Close屬性停止添加記錄，用Update屬性更新數(shù)據(jù)記錄，最后斷開數(shù)據(jù)庫連接。

創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)界面如圖4所示。

2.4 界面設計

菜單主要用于串口設置和數(shù)據(jù)庫操作，串口設置包括設置串口號和波特率;數(shù)據(jù)庫操作包括開始存儲數(shù)據(jù)、打開數(shù)據(jù)庫和斷開數(shù)據(jù)庫。

圖4 Access數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)界面

VB6.0的SSTab控件能提供一組選項卡，作為其他控件的容器，利用SSTab控件設計4組選項卡作為4組監(jiān)控界面的容器。繪制4組界面的圖形框架，利用PictureBox控件分別在選項卡中添加繪制好的界面圖形框架。

2.4.1 運行狀態(tài)

運行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示，包含的信息有:工作方式;主電路模型;輸入功率、輸出功率和效率;電壓電流值;溫度。用TextBox控件把各種UPS運行的實時數(shù)據(jù)信息以文本的方式顯示出來，用PictureBox控件根據(jù)工作方式切換轉換開關的開關狀態(tài)。

圖5 運行狀態(tài)監(jiān)控界面

2.4.2 電池管理

電池管理[9－10]監(jiān)控界面如圖6所示。蓄電池組為10個12V 200 Ah的蓄電池串聯(lián)組成。蓄電池組有充電模式和放電模式兩種狀態(tài)。蓄電池組的工作模式是由雙向DCDC變換器實現(xiàn)的。

電池管理監(jiān)控界面的主要信息有:

(1)蓄電池充放電模型。主要用到Picture－Box控件，用于顯示蓄電池組的充放電狀態(tài)和剩余電量。蓄電池組的剩余電量用line命令在圖上畫一個根據(jù)實時電量動態(tài)變化的矩形框表示。

圖6 電池管理監(jiān)控界面

(2)蓄電池組的狀態(tài)包括電壓、電流、剩余電量、剩余放電時間和溫度。軟件通過蓄電池組的電壓推算近似剩余容量，根據(jù)當前輸出電流和剩余容量推算剩余放電時間。

(3)蓄電池組故障包括雙向DCDC變換器故障以及蓄電池組各類等級的故障。故障指示燈是通過PictureBox控件模擬的。

(4)單片蓄電池的電壓值。

2.4.3 實時波形

實時波形監(jiān)控界面如圖7所示。UPS監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的實時波形主要有電網(wǎng)電壓波形、PFC升壓電路電壓波形、蓄電池組電壓波形和負載電壓波形。該監(jiān)控界面只用到了一個PictureBox控件，在控件的picture屬性上加載事先繪制好的圖形，然后利用line命令根據(jù)串口接收到的數(shù)據(jù)在圖上繪制相應的波形。

圖7 實時波形監(jiān)控界面

2.4.4 故障報警

故障報警監(jiān)控界面如圖8所示。故障報警監(jiān)控界面包含故障信息顯示框和控制按鈕。故障信息顯示框包含串口通信、市電、整流電路、升壓電路、逆變電路等故障源的當前故障和上次故障?？刂瓢粹o通過串口向主電路的控制器發(fā)出控制指令切換主電路的工作模式或者關閉主電路的運行。

圖8 故障報警監(jiān)控界面

3 結論

UPS實時監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試中表明，使用人員可以通過聲音、圖像、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)獲取UPS的各種信息，并進行及時和有效的控制，對UPS系統(tǒng)進行有效的診斷和維護。

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