一種基于STM32開發(fā)的熱力站停電報警裝置

李靜國

（太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030013）

1 熱力站的概念及開發(fā)需求

熱力站又叫換熱站，是集中供熱系統(tǒng)中供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場所，主要作用是進行換熱與二次庭院管網(wǎng)的加壓，是集中供熱系統(tǒng)中重要的組成部分。目前本公司有熱力站270余座，主要建設于用戶小區(qū)院內(nèi)或地下車庫等較偏僻的位置，受熱力站選址及工況等影響，在運行期間，熱力站大多處于高溫、高濕、通訊信號不良的工況條件。

如今隨著自動化控制設備在集中供熱工程中的廣泛應用，熱力站無人值守操作及相關改造工程已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)廣泛推廣應用。我公司也于2017年對所屬270余座熱力站進行了無人值守改造，但是在實際使用過程中還是發(fā)現(xiàn)存在部分無人值守操作系統(tǒng)的盲點。如在供熱運行期間，偶遇熱力站發(fā)生斷電情況，無人值守系統(tǒng)無法及時發(fā)現(xiàn)并發(fā)出報警信息。尤其是在無人值守系統(tǒng)處于斷網(wǎng)狀態(tài)，或短時發(fā)生斷電后恢復的情況下基本無法發(fā)現(xiàn)。而此時熱力站除循環(huán)泵外其余設備都處于正常工作狀態(tài)，所以發(fā)生故障時很難作出報警提示。基于以上實際使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，如何解決本單位熱力站運行期間的停電報警，已經(jīng)成了重要問題。但是目前市場上的相關停電報警器多適用于民用條件，還沒有完全適用于熱力站內(nèi)高溫、高濕、通訊信號差等實際工況的停電報警器。這就是筆者開發(fā)該報警器的動力與出發(fā)點。

2 設計要求及選型

2.1 設計要求

目前行業(yè)內(nèi)已實現(xiàn)無人值守功能的熱力站中，PLC數(shù)據(jù)采集、基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊是必須具備的功能，筆者所管轄的無人值守熱力站PLC采用MOX系統(tǒng)，通訊方式選擇了點對點數(shù)字電路，并配有UPS不間斷電源，目的是保證熱力站在發(fā)生停電后自動化控制系統(tǒng)仍能持續(xù)工作。如能在此基礎上加裝停電報警點位，并通過現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)向上位控制中心發(fā)布報警信息，不僅可以補足現(xiàn)有熱力站自控系統(tǒng)的短板，并在后期使用中可以節(jié)約大量的通訊服務成本。但在無人值守站實際使用過程中，停電情況發(fā)生多是因為附近片區(qū)整體停電造成，在發(fā)生片區(qū)停電時，站內(nèi)自控系統(tǒng)的通訊也會中斷，使熱力站的自控信息無法向上位發(fā)布。鑒于此，就必須重新設定一款獨立于現(xiàn)有熱力站自控系統(tǒng)之外的熱力站停電報警器。

結合前文所述熱力站的工況特點，停電報警器的設計需要滿足以下條件：可以長期安裝在熱力站中，并與現(xiàn)有熱力站自控系統(tǒng)兼容不沖突；可以耐受熱力站在冬季運行時高溫、高濕的工況；通訊信號傳輸質量穩(wěn)定，尤其是在地下室內(nèi)或者帶有屏蔽層的熱力站中可以有穩(wěn)定的型號信號接入；報警器產(chǎn)品經(jīng)濟實用制作成本不宜過高。

2.2 產(chǎn)品選型

主控芯片：本報警器選用的控制芯片為STM32，STM32是目前常見的主流嵌入式單片機之一，是由意法半導體（TS）公司開發(fā)的32位微控制器，其自帶的各種接口可以連接多種傳感器與附加模塊?？梢愿玫貪M足用戶的控制要求，注重工程實際是制作工用設備儀器的最佳選擇之一。

通訊方式：通訊方式的選擇決定本報警器能否適應熱力站內(nèi)通訊信號不良的特殊工況。為此，在通訊方式的選擇上通過日常站內(nèi)實際工作經(jīng)驗及現(xiàn)場測試和經(jīng)濟考量，最終選擇使用GSM短信上傳報警信息的方式。為此選用SIM800C通訊模塊，其外觀小巧、性價比高、性能穩(wěn)定，可以與STM32處理器完美結合。同時該型模塊有附件天線觸點，可以加裝延長天線，在使用中通過將天線延長至站外的安裝方式即可以解決站內(nèi)通訊信號不良的問題。

備用電源：該報警器為了可以實時及時地發(fā)現(xiàn)熱力站內(nèi)停電情況的發(fā)生，所以需要長時間與220 V電源相連，但在停電后為了能使報警裝置繼續(xù)工作，并可以向上位發(fā)出報警信息，就需要使用備用電源，為此配置了18650鋰電池。

上位機的配置：由于報警器使用GSM短信的發(fā)布方式，因此，就需要配置報警信息的上位接收端，利用在自控系統(tǒng)上位電腦中加裝USB轉GSM的電腦通訊模塊就能很好地解決這個問題。

3 電路連接與運行

該報警裝置的接線如圖1所示。

圖1 報警裝置的接線

STM32模塊的18號端子作為電源端VCC，與鋰電池和外接電源適配器VCC端相連接，同時供電；STM32模塊的36號端子為發(fā)送端TXD，與GSM通訊模塊TXD端相連接；STM32模塊的35端子為接收端RXD，與GSM通訊模塊的RXD端相連；STM32模塊的40端子為地線端GND，與鋰電池和外接電源適配器的GND相連，并與18號端子閉合作用形成完整供電電路。GSM通訊模塊的VCC、GND端與鋰電池VCC、GND端分別相連，當外接電源適配器斷電時可持續(xù)供電運行。

本報警器內(nèi)部兩種供電方式都有防反接二極管ss34，在待機工作時可同時供電，無需進行電源切換。另電源適配器VCC端與STM32模塊的18號端子相連，用于監(jiān)測VCC端是否供電。STM32內(nèi)部自帶PVD功能，用于對MCU供電電壓VDD進行監(jiān)控。通過電源控制寄存器中的PLS[2∶0]位可以用來設定監(jiān)控電壓的閾值，通過對外部電壓進行比較來監(jiān)控電源。當達到設定電壓條件，觸發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行預設命令。若熱力站內(nèi)手機通訊信號良好，所述天線可放置在站內(nèi)，若熱力站無手機通訊信號，可以沿熱力站排風空洞延伸到室外有手機通訊信號處。所述報警器安裝在熱力站內(nèi)，所述電源適配器接入熱力站內(nèi)220 V照明電源。

當熱力站正常運行時，該停電報警器供電由內(nèi)置鋰電池與外接電源適配器同時接入，當熱力站停電時外接電源適配器斷電，報警器依靠鋰電池持續(xù)工作，并通過GSM通訊模塊向接收方以短信形式向接收端報警。通常情況下，停電報警裝置外接電源與鋰電同時接入，當外部供電停止時鋰電池可以保證報警裝置正常運行，并通過已檢測到的外接電源停電信號觸發(fā)GSM通訊模塊向目標端發(fā)送停電報警短消息。報警信息設置如圖2所示。

圖2 報警信息設置

4 結論

隨著工業(yè)自動化水平的提高和普及，中國供熱企業(yè)無人值熱力站也越來越普及。但在實踐中還存在現(xiàn)有熱力站自控系統(tǒng)不能滿足的短板，該熱力站停電報警器的設計、安裝并經(jīng)過長期的使用，不僅克服了熱力站內(nèi)特殊的工況，同時很好地解決了熱力站停電時無法發(fā)出報警信息的問題。提高了本單位的生產(chǎn)管理水平，并為自動化控制工作人員打開了新的發(fā)展思路。