集裝箱式電源系統(tǒng)安全監(jiān)控設(shè)計(jì)

閔慶偉，于水英，付志超，孫　佳（.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

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集裝箱式電源系統(tǒng)安全監(jiān)控設(shè)計(jì)

閔慶偉1，2，于水英1，付志超1，2，孫佳1，2
（1.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

摘要：針對(duì)集裝箱式電源系統(tǒng)的安全性需求，研制了集裝箱安全監(jiān)控系統(tǒng)。本文介紹了安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成、控制策略和實(shí)現(xiàn)方式；詳細(xì)介紹了安全控制箱的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明該安全監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用中滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和可靠性要求，為集裝箱式電源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：電源系統(tǒng)集裝箱安全監(jiān)控

0　引言

蓄電池電源系統(tǒng)主要用作工業(yè)系統(tǒng)的備用電源、大型化工廠及鋼鐵廠的應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電廠和太陽(yáng)能發(fā)電廠的儲(chǔ)能電源。工程項(xiàng)目中要求提供成套系統(tǒng)設(shè)備，即集裝箱式電源系統(tǒng)，它包括：集裝箱結(jié)構(gòu)體、蓄電池組、電池巡檢系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)，甚至充放電設(shè)備。

蓄電池在充電反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，氧復(fù)合過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生熱量，而貧液式閥控電池因本身的熱容量較小，散熱條件差，又無(wú)流動(dòng)電解液可提供對(duì)流散熱方式，且采用裝配工藝亦不利于散熱等都會(huì)造成電池的熱量難于發(fā)散。長(zhǎng)期維持在均充電壓上并居高不下，使蓄電池起了與水的電解槽相仿的作用，不但產(chǎn)生熱量大而且析氫量大增，導(dǎo)致電池過(guò)分頻繁地開(kāi)閉控制閥，損失電池內(nèi)的水分，甚至出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象，所以閥控電池在制造和使用中必須考慮散熱、通風(fēng)措施，保證蓄電池組的安全。

1　安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹的集裝箱式電源系統(tǒng)主要包括：集裝箱結(jié)構(gòu)體、兩組閥控鉛酸蓄電池、電池巡檢系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)。

集裝箱安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是監(jiān)控蓄電池集裝箱內(nèi)部的氫氣濃度、溫度，并通信接收電池巡檢系統(tǒng)的信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)到安全數(shù)據(jù)超過(guò)安全控制值時(shí)，通過(guò)安全控制策略進(jìn)行安全報(bào)警提示，并自動(dòng)控制風(fēng)扇，有效控制集裝箱處于安全的氫氣濃度、溫度范圍內(nèi)，保證集裝箱式電源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

集裝箱安全監(jiān)控系統(tǒng)由防爆安全監(jiān)控箱、防爆操控板、氫氣濃度傳感器（3個(gè)）、溫度傳感器（8個(gè)）、行程開(kāi)關(guān)（2個(gè)）、報(bào)警器、防爆風(fēng)扇（2個(gè)）、防爆照明燈（3個(gè)）、防爆線纜等組成，具體結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1　集裝箱安全監(jiān)控系統(tǒng)框圖

風(fēng)扇、照明燈、傳感器安裝于集裝箱結(jié)構(gòu)內(nèi)頂部，3個(gè)照明燈和2個(gè)風(fēng)扇間隔安裝在頂部長(zhǎng)方形的中線上；3個(gè)氫氣濃度傳感器、3個(gè)溫度傳感器均勻分布長(zhǎng)方形對(duì)角直線，氫氣濃度傳感器安裝在一條對(duì)角線上，溫度傳感器安裝在另一條對(duì)角線上，另外5個(gè)溫度傳感器安裝在電池臺(tái)架上。2個(gè)行程開(kāi)關(guān)安裝在集裝箱門(mén)內(nèi)部，檢測(cè)集裝箱門(mén)的開(kāi)和關(guān)，行程開(kāi)關(guān)提供1對(duì)常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)。

操控板安裝在集裝箱外壁，主要有AC220V電源連接器、手動(dòng)風(fēng)扇控制開(kāi)關(guān)、手動(dòng)照明燈控制開(kāi)關(guān)；報(bào)警器安裝在集裝箱外頂部。

安全控制箱安裝在集裝箱內(nèi)部，主要監(jiān)測(cè)氫氣傳感器信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)、行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)接收電池巡檢系統(tǒng)通信信號(hào)，通過(guò)控制策略判斷控制風(fēng)扇、照明燈、報(bào)警器的啟動(dòng)與停止。

2　安全監(jiān)控系統(tǒng)控制策略

安全控制策略分為手動(dòng)和自動(dòng)兩部分，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，手動(dòng)部分功能有：控制板的照明燈開(kāi)關(guān)、風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，手動(dòng)控制照明燈、風(fēng)扇的開(kāi)啟和關(guān)閉；安全控制箱的消音開(kāi)關(guān)、復(fù)位開(kāi)關(guān)，在報(bào)警時(shí)手動(dòng)控制報(bào)警消音和復(fù)位。

自動(dòng)檢測(cè)部分是安全監(jiān)控的重點(diǎn)，在無(wú)人值守時(shí)關(guān)系到集裝箱電源系統(tǒng)的安全，主要功能有：

1）當(dāng)集裝箱內(nèi)任何一個(gè)溫度傳感器探測(cè)到溫度達(dá)到40℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇、照明燈和外部聲光報(bào)警器；當(dāng)溫度低于35℃時(shí)，聲光報(bào)警器與排風(fēng)扇自動(dòng)停止；

2）在溫度報(bào)警過(guò)程中，可按安全控制箱上的消音按鈕，對(duì)外部的聲光報(bào)警器進(jìn)行停止，而排風(fēng)扇繼續(xù)工作，直到溫度低于35℃時(shí)停止；

3）當(dāng)集裝箱內(nèi)任何一個(gè)氫氣傳感器探測(cè)到氫氣的濃度達(dá)到25%LEL時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇、照明燈和外部聲光報(bào)警器；當(dāng)濃度低于12%LEL時(shí)，聲光報(bào)警器與排風(fēng)扇自動(dòng)停止；

4）在氫氣報(bào)警過(guò)程中，可按安全控制箱上的消音按鈕，對(duì)外部的聲光報(bào)警器進(jìn)行停止，而排風(fēng)扇繼續(xù)工作，直到濃度低于12%LEL時(shí)停止；

5）電池巡檢系統(tǒng)通信提供電池的電壓、溫度狀態(tài)的警告、報(bào)警信息，安全控制箱控制風(fēng)扇啟動(dòng)、報(bào)警器聲光報(bào)警；

6）按安全控制箱上消音鍵后，如果氫氣深度或溫度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警值，外部聲光報(bào)警器可以恢復(fù)報(bào)警，排風(fēng)扇能夠重新啟動(dòng)；

7）按安全控制箱上的復(fù)位按鈕，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后若氫氣濃度或溫度沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值時(shí)，排風(fēng)扇和外部報(bào)警燈應(yīng)停止工作；

8）風(fēng)扇的啟動(dòng)/停止不能連續(xù)反復(fù)進(jìn)行，最少運(yùn)行或停止1min，保證設(shè)備安全。

表1　手動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

表2　自動(dòng)狀態(tài)控制表

3　安全控制箱硬件設(shè)計(jì)

安全控制箱是安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，安全控制箱由防爆箱體、DSP控制器、控制電路、24DC電源等組成。功能的實(shí)現(xiàn)主要由DSP控制器和控制電路組合實(shí)現(xiàn)，下面詳細(xì)敘述DSP控制器設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)。

3.1控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)安全監(jiān)控系統(tǒng)功能需求，檢測(cè)和控制對(duì)象信號(hào)類(lèi)別及數(shù)量分析，控制器硬件采用DSP2812芯片開(kāi)發(fā)并且標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，主要資源包括：8路4-20 mA電流信號(hào)采集，8路PT1000溫度信號(hào)采集，16路DC24V數(shù)字輸出，16路DC24V數(shù)字輸入，1路標(biāo)準(zhǔn)CAN總線通信，2路RS485串口通信，控制器資源框圖如圖2所示。

圖 2　DSP控制器框圖

系統(tǒng)研制調(diào)試后，氫氣濃度監(jiān)測(cè)的精度1%LEL，溫度監(jiān)測(cè)的精度為1℃，數(shù)字量輸出信號(hào)接口能力為DC24V/0.5A，數(shù)字量輸入信號(hào)接口能力DC24V/0.5A，滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)精度和控制驅(qū)動(dòng)能力。

3.2控制電路設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)可靠性和人工干預(yù)角度保證集裝箱的安全，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，同時(shí)應(yīng)該考慮在控制器失效的情況下能手動(dòng)強(qiáng)制啟動(dòng)風(fēng)扇，這些功能的實(shí)現(xiàn)需要在控制電路設(shè)計(jì)中考慮。

正常工作時(shí)三個(gè)照明燈同時(shí)點(diǎn)亮，兩個(gè)風(fēng)扇一用一備。如風(fēng)扇的控制考慮手動(dòng)和自動(dòng)控制，同時(shí)考慮在控制器失效的情況下手動(dòng)控制，所以在控制電路中要求弱電控制和強(qiáng)電控制，且兩者互不干擾，同時(shí)要求實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)扇的工作狀態(tài)，考慮風(fēng)扇備用情況?？紤]到電路簡(jiǎn)單可靠，設(shè)計(jì)安全控制箱的控制電路如圖3所示。

圖3　控制電路圖

4　監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件是一個(gè)嵌入式軟件，軟件基于Windows XP平臺(tái)采用CCStudio v3.3開(kāi)發(fā)，程序主要功能包括：氫氣濃度傳感器信號(hào)采集、溫度傳感器信號(hào)采集、數(shù)字量輸出控制、數(shù)字量輸入采集、CAN通信處理、控制策略模塊等等。

監(jiān)控軟件的核心是安全監(jiān)控策略的實(shí)現(xiàn)，安全監(jiān)控系統(tǒng)中涉及到多個(gè)檢測(cè)輸入對(duì)應(yīng)多個(gè)控制輸出，在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要考慮事件發(fā)生的邏輯關(guān)系和優(yōu)先級(jí)，所以對(duì)輸出的對(duì)象設(shè)置多層中間變量，保證邏輯關(guān)系的觸發(fā)和優(yōu)先級(jí)的判斷分開(kāi)設(shè)計(jì)，最后統(tǒng)一硬件輸出，具體監(jiān)控流程如圖4、圖5、圖6所示。編寫(xiě)軟件時(shí)根據(jù)表2自動(dòng)狀態(tài)控制表設(shè)計(jì)中間變量，如：變量風(fēng)扇Fan、燈Lamp、報(bào)警Arm，根據(jù)觸發(fā)事項(xiàng)命名Fan1、Fan2、Fan3、Fan4、Fan5等等，實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系和控制優(yōu)先級(jí)的區(qū)分。

圖4　溫度判斷控制流程

圖5　氫氣判斷控制流程

5　結(jié)論

本文介紹了集裝箱式電源系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了集裝箱安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成、控制策略、實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)多輪次試驗(yàn)調(diào)試和運(yùn)行試驗(yàn)，該安全監(jiān)控系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和可靠性要求，為集裝箱式電源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

圖6　統(tǒng)一輸出控制流程

參考文獻(xiàn)：

［1］電力工程設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)：STAR牌GFM型閥控密封鉛酸蓄電池［M］.河南電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2001.1.

［2］顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.4.

［3］趙惠峰，喬長(zhǎng)君.低壓電氣控制線路圖冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.3.

Design of Safety Monitoring for Container-type Power Supply System

Min Qingwei1.2，Yu Shuiying1，F(xiàn)u Zhichao1，2，Sun Jia1，2
（1.Hubei Greatsea New Power Technology Co.，Ltd，Ezhou 436070，China； 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:According to the safety requirement of the container type power supply system，the container safety monitoring system is developed.This paper introduces the composition，control strategy and implementation of safety monitoring system，and describes the hardware design and software design of the safety control box in detail.The practice shows that the safety monitoring system to meet the design requirements and reliability in the application，and the design provides a powerful guarantee for the safe and reliable operation of the container type power supply system.

Keywords:power supply system； container； security monitoring

中圖分類(lèi)號(hào)：TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0026-03

收稿日期：2015-12-23

作者簡(jiǎn)介：閔慶偉（1967-），男，高級(jí)工。研究方向：鉛酸電池。