基于LabVIEW的分布式開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)

惠露, 李敏遠(yuǎn)

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)用電源模塊組成積木式、智能化的大功率分布式開關(guān)電源系統(tǒng)成為了電源技術(shù)發(fā)展方向之一。為確保各電源模塊的可靠運(yùn)行，需對(duì)分布式開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而使電源的維護(hù)和管理從人工值守的傳統(tǒng)模式向計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控的智能化方向轉(zhuǎn)換。目前分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)主要存在的問題為數(shù)字化程度低、不能準(zhǔn)確指出故障點(diǎn)以及可靠性低[1-2]。

本研究介紹了一種基于LABVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺(tái)開關(guān)電源的系統(tǒng)方案。針對(duì)單臺(tái)電源模塊主電路采用典型的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)為有源PFC功率因數(shù)校正電路，后級(jí)為零電壓開關(guān)移相全橋DC-DC變換器，電源控制與檢測(cè)部分采取PIC單片機(jī)與控制芯片UCC3895相結(jié)合的方案。利用RS485作為串行通信總線，將分布在一定區(qū)域內(nèi)的電源模塊進(jìn)行組網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一套基于 RS485總線通信協(xié)議，解決了總線沖突。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用美國NI公司開發(fā)的LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)作為開發(fā)平臺(tái)，提高了編程效率。最后，通過兩臺(tái)輸出電壓為不同級(jí)別的電源樣機(jī)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的要求與總體結(jié)構(gòu)

1.1 分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求

開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是利用電源與計(jì)算機(jī)的通信模塊完成信息交互，監(jiān)控中心將各種設(shè)置、查詢或檢測(cè)命令發(fā)送給電源，電源接收命令后執(zhí)行相關(guān)操作并將執(zhí)行結(jié)果反饋給監(jiān)控中心[3-4]。鑒于此，對(duì)電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求列示如下。

1)開關(guān)機(jī)控制，即將市電接入電源后監(jiān)控系統(tǒng)正常工作，通過監(jiān)控中心控制電源的啟動(dòng)與停止。

2)開關(guān)電源參數(shù)設(shè)置。監(jiān)控對(duì)象為輸出電壓相同或不同級(jí)別的開關(guān)電源，能夠監(jiān)控的電源總數(shù)為1～255臺(tái)，可對(duì)單臺(tái)或所有電源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。包括設(shè)置交流輸入過欠壓保護(hù)值、機(jī)內(nèi)溫度保護(hù)值、輸出電壓和輸出限流值。

3)開關(guān)電源運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)與顯示。通過監(jiān)控中心輸入電源地址，針對(duì)某單臺(tái)電源可檢測(cè)交流輸入電壓值，機(jī)內(nèi)溫度值，輸出電壓、電流值以及輸出功率，同時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)返回監(jiān)控中心以便于顯示。

4)故障報(bào)警與定位。當(dāng)某臺(tái)電源出現(xiàn)故障，如：輸入過欠壓，機(jī)內(nèi)溫度過高，輸出過壓時(shí)將及時(shí)切斷主電路輸出，本機(jī)顯示電路顯示相應(yīng)故障，同時(shí)將報(bào)警信息反饋給監(jiān)控中心。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1為分布式開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)框圖。如圖1所示，電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心是微控制器和PC端的監(jiān)控軟件，監(jiān)控中心為上位機(jī)，微控制器及其外圍電路為下位機(jī)。上位機(jī)通過系統(tǒng)總線發(fā)送命令數(shù)據(jù)，下位機(jī)通過各種傳感元件將需要測(cè)量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)，然后再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟保存到相關(guān)寄存器中，最終將操作結(jié)果通過系統(tǒng)總線反饋給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)沒有發(fā)送命令數(shù)據(jù)，而下位機(jī)檢測(cè)到某臺(tái)或多臺(tái)電源輸入電壓、輸出電壓、輸出電流以及機(jī)內(nèi)溫度等信號(hào)發(fā)生異常時(shí)，下位機(jī)及時(shí)切斷電源主電路運(yùn)行，并在電源運(yùn)行狀態(tài)電路中顯示相應(yīng)故障，同時(shí)通過系統(tǒng)總線將故障信息反饋給上位機(jī)，利用通信協(xié)議，準(zhǔn)確定位電源故障及故障類型。

圖1 分布式開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)框圖

1.3 通信協(xié)議

根據(jù)本研究提出的電源監(jiān)控系統(tǒng)方案，并在實(shí)際中結(jié)合本電源系統(tǒng)的硬件條件，通信協(xié)議[5-6]的設(shè)計(jì)主要包括通信格式、總線沖突及解決辦法兩個(gè)方面。

1.3.1 通信格式

1)通信速率與通信方式。上、下位機(jī)約定的波特率均為9 600 bps，選用標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信作為通信方式。

2)發(fā)送幀與應(yīng)答幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)發(fā)送的命令幀由六個(gè)字節(jié)組成，如表1所示。第一字節(jié)表示電源地址；第二字節(jié)為設(shè)置、查詢或檢測(cè)的命令字標(biāo)識(shí)位；第三，四字節(jié)為命令數(shù)據(jù)(當(dāng)命令字為設(shè)置命令時(shí)，這兩位表示不同類型的保護(hù)參數(shù)，如輸入過欠壓保護(hù)值，限流值以及溫度保護(hù)值等；若命令字為查詢或檢測(cè)命令，則這兩位都用0填補(bǔ))；第五，六字節(jié)為第一字節(jié)到第四字節(jié)的累加和。命令數(shù)據(jù)與校驗(yàn)和均采用2個(gè)字節(jié)表示且都為無符號(hào)類型，發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。

表1 命令幀結(jié)構(gòu)

下位機(jī)回復(fù)的應(yīng)答幀同樣由六個(gè)字節(jié)組成，如表2所示，第一字節(jié)表示電源地址；第二字節(jié)表示對(duì)應(yīng)命令幀中命令字的應(yīng)答標(biāo)識(shí)位；第三，四字節(jié)為下位機(jī)完成相應(yīng)操作后的應(yīng)答數(shù)據(jù)(當(dāng)命令字為查詢或檢測(cè)命令時(shí)，這兩位為檢測(cè)數(shù)據(jù)；若為設(shè)置命令，則這兩位都用0填補(bǔ))；第五，六字節(jié)為第一字節(jié)到第四字節(jié)的累加和。與命令幀相同，應(yīng)答幀的數(shù)據(jù)位與校驗(yàn)和位均采用2個(gè)字節(jié)表示且都為無符號(hào)類型，發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。

3)命令字解釋。為了滿足電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電源的開關(guān)機(jī)控制，設(shè)置、查詢以及檢測(cè)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流值等操作，本系統(tǒng)具體的命令解釋如表3所示。

表3 命令字解釋

1.3.2 總線沖突及解決辦法

一般通信過程均由上位機(jī)發(fā)起,下位機(jī)不主動(dòng)申請(qǐng)通信，故障情況除外。上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)的地址,向下位機(jī)發(fā)送命令。此時(shí)所有下位機(jī)中斷接收并判斷與本機(jī)地址是否相同,地址不相符的中斷返回并繼續(xù)執(zhí)行監(jiān)控任務(wù);反之將相應(yīng)操作結(jié)果通過系統(tǒng)總線反饋給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送的設(shè)置命令中電源地址為0時(shí)，表示當(dāng)前發(fā)送的是系統(tǒng)廣播命令，即所有下位機(jī)都中斷接收命令數(shù)據(jù)，不作應(yīng)答，此時(shí)下位機(jī)地址分配不能相同。

當(dāng)一臺(tái)或者多臺(tái)電源同時(shí)出現(xiàn)故障，而此時(shí)系統(tǒng)總線正被占用時(shí)，本系統(tǒng)采取利用報(bào)警控制表結(jié)合單片機(jī)中斷延時(shí)的方案來解決總線沖突問題。由于在下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)電源運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，必須在最短的時(shí)間內(nèi)切斷主電路運(yùn)行，防止電源過渡損壞，同時(shí)在相應(yīng)的狀態(tài)顯示電路中顯示故障信息。這樣，即使系統(tǒng)總線正在被占用的情況下，故障電源已實(shí)施關(guān)機(jī)保護(hù)，在等待其它電源報(bào)警完畢之后，即可申請(qǐng)占用系統(tǒng)總線以便在上位機(jī)中顯示故障參數(shù)以及確定電源故障類型。例如當(dāng)1號(hào)電源正在報(bào)警時(shí)，2號(hào)電源也發(fā)生故障，準(zhǔn)備占用系統(tǒng)總線，通過相關(guān)程序的設(shè)置，在1號(hào)電源報(bào)警時(shí)已將相關(guān)報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給2號(hào)電源，無論2號(hào)電源是否報(bào)警，都必須暫時(shí)放開系統(tǒng)總線30 ms，即1號(hào)電源連續(xù)報(bào)警3次，每次報(bào)警占用總線10 ms。在此期間2號(hào)電源繼續(xù)檢測(cè)其他量(若遇報(bào)警情況，則進(jìn)行關(guān)機(jī)保護(hù)并在自身狀態(tài)顯示電路中顯示報(bào)警類型)，中斷延時(shí)到達(dá)后2號(hào)電源才能占用系統(tǒng)總線，即系統(tǒng)總線總是被先報(bào)警的電源所占用。假設(shè)所監(jiān)控的255臺(tái)電源都發(fā)生故障，則總共需要7 650 ms完成一輪報(bào)警，而且能夠準(zhǔn)確判斷出具體哪臺(tái)電源的哪個(gè)故障點(diǎn)。此過程中報(bào)警數(shù)據(jù)同樣由六個(gè)字節(jié)組成，第一字節(jié)到第六字節(jié)分別為電源地址、命令字、報(bào)警數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和，其中報(bào)警數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和分別占用2個(gè)字節(jié)，發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。具體報(bào)警控制表如表4所示。

表4 報(bào)警控制表

表4中通信故障指通信異常，輸入故障指輸入過欠壓故障，輸入故障1指芯片供電電源故障，輸出故障指電壓環(huán)反饋電壓異常，輸出故障1指主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)異常，溫度故障指機(jī)內(nèi)過溫故障，溫度故障1指溫度通道故障，限流故障指負(fù)載電流過大。當(dāng)下位機(jī)發(fā)送故障信號(hào)給上位機(jī)時(shí)，上位監(jiān)控中心首先判斷電源地址是否為當(dāng)前操作的電源，若是，則在本機(jī)電源報(bào)警顯示區(qū)根據(jù)差錯(cuò)控制表4中的命令字顯示當(dāng)前故障電源的故障類型，同時(shí)顯示檢測(cè)到的故障數(shù)據(jù)，否則將在其他電源故障顯示區(qū)顯示故障信號(hào)。而當(dāng)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的電源發(fā)生故障時(shí)，還可以通過查看監(jiān)控記錄的方法來查看電源故障點(diǎn)，方便電源維護(hù)人員的后續(xù)維護(hù)工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

要對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，其硬件電路的設(shè)計(jì)是必不可缺的。本系統(tǒng)中電源結(jié)構(gòu)如前所述，每臺(tái)電源模塊的前級(jí)為有源PFC電路，經(jīng)過功率因數(shù)校正后輸出380 V的直流電壓，然后輸入后級(jí)為DC-DC的移相全橋整流電路，最后得到輸出電壓為不同級(jí)別的大功率開關(guān)電源。因此，下面只針對(duì)單臺(tái)電源模塊的監(jiān)控原理進(jìn)行闡述即可。

2.1 單臺(tái)電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)

單臺(tái)開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用TI公司的移相全橋集成控制芯片UCC3895與美國微芯公司(Microchip)的PIC16F877A單片機(jī)相結(jié)合的控制方案實(shí)現(xiàn)數(shù)?；旌峡刂?。

正常情況下單片機(jī)通過電源工作狀態(tài)采集電路[7]不斷的循環(huán)檢測(cè)交流輸入電壓值、輸出電壓值、機(jī)內(nèi)溫度值和相關(guān)芯片供電電壓等信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到輸入過壓或者欠壓、輸出過壓、機(jī)內(nèi)過溫等故障時(shí)，單片機(jī)發(fā)送封鎖信號(hào)給UCC3895，及時(shí)控制電源關(guān)機(jī)。同時(shí)通過電源狀態(tài)顯示電路顯示相應(yīng)故障，確保整個(gè)電源系統(tǒng)安全可靠地工作。

圖2 單臺(tái)開關(guān)電源硬件監(jiān)控原理框圖

2.2 系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與每臺(tái)電源模塊的信息交互，本系統(tǒng)選取RS485標(biāo)準(zhǔn)串行通信方式作為系統(tǒng)總線。

利用RS485標(biāo)準(zhǔn)可建立一個(gè)具有高噪聲抑制、高傳輸速率的通信平臺(tái)，方便對(duì)多臺(tái)開關(guān)電源進(jìn)行集中監(jiān)控。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于每臺(tái)電源模塊具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，這里只對(duì)單臺(tái)電源下位機(jī)監(jiān)控流程圖進(jìn)行闡述。

正常情況下，下位機(jī)監(jiān)控程序流程圖如圖3所示。電源模塊接入市電后，監(jiān)控系統(tǒng)開始工作。下位機(jī)循環(huán)檢測(cè)當(dāng)前電源運(yùn)行狀態(tài)，如電源輸入電壓，機(jī)內(nèi)溫度以及芯片供電電源是否正常。若檢測(cè)正常，則等待上位機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)。當(dāng)有命令數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，下位機(jī)中斷接收并判斷命令類型，執(zhí)行相關(guān)操作后，根據(jù)命令類型選擇是否對(duì)上位機(jī)應(yīng)答，操作完成后程序中斷返回并繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 下位機(jī)監(jiān)控程序流程圖

而當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)中某臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，下位機(jī)報(bào)警程序流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)報(bào)警程序流程圖

假設(shè)在此之前沒有電源發(fā)生報(bào)警，則本機(jī)發(fā)送告警信息給上位機(jī)(將發(fā)生故障的電源稱為本機(jī))，此時(shí)其它所有電源也都中斷接收故障信號(hào)并在30 ms內(nèi)放棄占用系統(tǒng)總線，同時(shí)本機(jī)狀態(tài)顯示為“電路顯示故障”，上位機(jī)結(jié)合報(bào)警控制表就可準(zhǔn)確定位電源故障點(diǎn)。最后通過合理利用PIC16F877A單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器EEPROM，使監(jiān)控系統(tǒng)具有記憶功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源設(shè)置參數(shù)的記錄。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)斷電再上電時(shí)，電源模塊不僅能根據(jù)斷電前設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行，還可以使用恢復(fù)默認(rèn)值命令使用默認(rèn)參數(shù)運(yùn)行。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)環(huán)境為LABVIEW 8.5。首先利用LABVIEW串口初始化函數(shù)節(jié)點(diǎn)(VISA configure serial port)來配置通信格式，如串口號(hào)，波特率，數(shù)據(jù)位和停止位。然后通過RS485總線對(duì)串口讀(VISA write)和串口寫(VISA read)函數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)操作就可以設(shè)置電源運(yùn)行參數(shù)及監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。最后采用LabSQL訪問數(shù)據(jù)庫的方法[8-9]記錄相關(guān)監(jiān)控信息。

上位機(jī)監(jiān)控軟件程序流程圖如圖5所示。主程序首先初始化串口，配置通信參數(shù)。當(dāng)電源地址不為0時(shí)，表示設(shè)置命令不是廣播命令，此時(shí)電源地址相同的下位機(jī)中斷接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作后根據(jù)電源地址應(yīng)答上位機(jī)；若為廣播命令，則所有下位機(jī)中斷接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行操作，但是不應(yīng)答。當(dāng)其它電源發(fā)生故障時(shí)，下位機(jī)主動(dòng)申請(qǐng)通信，將報(bào)警數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)以便定位電源故障點(diǎn)。最后，利用 Microsoft Access數(shù)據(jù)庫記錄所有監(jiān)控記錄。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本監(jiān)控系統(tǒng)方案的可行性與可靠性，制作了兩套電源模塊監(jiān)控樣機(jī)。分配電源地址分別為1#與2#，實(shí)際監(jiān)控中，可通過廣播命令設(shè)置全部電源的運(yùn)行參數(shù)，如圖6所示，輸入命令字，設(shè)置相應(yīng)的電壓、電流和溫度保護(hù)值，就可以修改1#與2#電源的運(yùn)行參數(shù)。

圖6 電源廣播命令設(shè)置界面

當(dāng)需要查詢或?qū)嶋H檢測(cè)具體某臺(tái)電源的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將界面切換為電源狀態(tài)監(jiān)控界面，如圖7所示，在命令設(shè)置區(qū)輸入所需操作的電源地址，就可以針對(duì)單臺(tái)電源設(shè)置，查詢或檢測(cè)運(yùn)行參數(shù)。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)控電源狀態(tài)界面

為了模擬電源故障，實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)壓器改變1#電源的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓大于所設(shè)置的輸入過壓保護(hù)值A(chǔ)C 270 V時(shí)，1#機(jī)顯示輸入故障并發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收后發(fā)出告警聲并顯示最后一次檢測(cè)的輸入電壓AC 275.72 V。而2#電源同樣中斷接收?qǐng)?bào)警數(shù)據(jù)，中斷延時(shí)30ms暫時(shí)放開系統(tǒng)總線。最后通過鏈接數(shù)據(jù)庫可以查看全部監(jiān)控記錄。

5 結(jié) 論

1)研制了一種基于LabVIEW的分布式開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)操作界面簡單直觀，只需輸入相關(guān)命令字就可監(jiān)控分布在一定區(qū)域內(nèi)單臺(tái)或多臺(tái)輸出電壓級(jí)別相同或不同的開關(guān)電源，提高了電源的供電質(zhì)量；

2)利用報(bào)警控制表結(jié)合中斷延時(shí)的方法巧妙的解決了總線沖突，并對(duì)電源出現(xiàn)的故障點(diǎn)能夠準(zhǔn)確定位，減少了工作人員的維護(hù)工作量。

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