技术
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1 引言 直流屏是广泛应用于水力、火力发电厂，各类变电站和其它使用直流设备的用户(如石化、矿山、铁路等)，为信号设备、保护、自动装置、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源—蓄电池继续提供直流电源的重要设备。直流屏的可靠性、安全性直接影响到电力系统供电的可靠性、安全性。直流屏的心脏是蓄电池，对蓄电池进行科学的维护是直流屏的核心工作。 2 传统直流屏的设计 目前市场上大多数直流屏均采用对直流屏内蓄电池组整体进行充电的方式。其示意图如图1所示: 图1 传统直流屏充电方式 蓄电池组的充电过程包括三个阶段:主充、浮充和均充。采用蓄电池组整体充电的方式在进行浮充电时，由于蓄电池个体之间内阻的差异，常常造成一些蓄电池的浮充电压不一致。浮充电压是否合适直接影响到蓄电池的使用寿命。为了改进这一缺点，本文提出一种新型的蓄电池组充电方式。 3 改进方案 为实现对每个蓄电池分别进行充电，为每个蓄电池设计一个单元模块。该单元模块能够对实时检测蓄电池的充放电过程中的电压、电流大小，并根据这些数据进行主充与浮充方式的切换，以及对蓄电池的容量进行评估。另外设计一个总控制模块对所有的单元模块进行统一管理。总控制模块与各单元模块之间的数据交换是通过485总线进行的，它们之间的通讯遵循Modbus协议。 改进后的系统框架如图2所示: 图2 改进方案整体框架设计 3.1 总控制模块设计 总控制模块负责收集各分模块的关键信息如实时的充电电压、电流值，通过液晶显示屏向用户显示。并可以通过键盘接收用户的输入信息。该模块主要由以下几部分组成:MPU，键盘，显示器以及TTL至485通信电平转换芯片，另外要根据需要加上其它辅助芯片如锁存器、IO扩展芯片8255以及看门狗芯片MAX706等等。系统的框图如图3所示: 图3 总控制模块系统框图 总控制单元中的MPU选用最常用的AT89C51芯片，键盘由P1口直接扩展，显示屏采用型号为TG19264A的液晶显示屏。 由于单片机串行口输出的是TTL电平，而常用的串行通信方式485要求相应的逻辑电平，所以系统中必须加上TTL电平至485电平转换芯片。 3.2 单元模块设计 各单元模块的功能是对进行电流、电压监测并实现充电方式的自动切换，还要对蓄电池的容量进行评估。所以单元模块内包括一个充电电路、容量测量电路和相应的控制回路，单元模块采用的是单片机控制，单片机控制系统框图如图4所示: 图4 分单元模块控制系统框图 单元模块中MPU选用AT89C51，而AD则选用双积分式AD转换器MC14433。这是因为本系统中需要测量的信号是蓄电池电压和电流，而这些量的变化都比较缓慢，双积分式AD已经能够满足要求。 分站上MPU的资源利用情况如下:由于分站上只有AD需要与MPU进行数据交换，并且数据线只有四条，所以本系统不需要采用数据总线的方式。可以通过P1口读取AD的数据。从而可以把P0口和P2口均作为IO口使用。甚至P3口的RD和WR也可以IO口使用。这样MPU自身的IO口已经能够满足系统的要求。不需要再扩展IO口。 如图4所示，MPU的P0口用来读入拨码开关设定的地址，P1口用来读取AD的数据，P2口发出到各芯片的使能信号和到各继电器的控制信号。图中AD需要外加1.999V基准源，并要求负电源供电。 这里的基准源选用MC1403芯片，它可以提供2.5V基准电压，可以通过精密电位器分压后作为AD的基准源。而负电源可以由专用的负电压芯片ICL7660提供，该芯片的作用是把＋5V的电压转换为-5V。 (1) 恒流充电回路的设计 下面介绍一下充电回路的设计，由于该电路只用于对一节蓄电池进行充电，所以所选器件的参数可以降低。这也是本方案的又一个优点。本方案针对KOBE HF100－12型蓄电池进行设计，该电池每节容量为100Ah，电压12V。充电电路分为两部分，恒流充电电路与恒压充电电路。其中恒流充电电路如图5所示: 图5 恒流充电电路 图5所示的恒流电路是通过限制流经充电三极管(如果电流较大可选用克林顿管)基极的来达到恒流的目的。因为三极管的放大倍数一定，如果基极电流恒定则其集电极的电流也恒定。其工作过程如下:如果通过电阻R1的电流小于限定电流(如10A)，则R1两端电压小于0.7V，三极管T2截止，则充电三极管T1基极的电流由流过LM317决定。LM317在这里作为恒流源使用(因为其Vout与Adj之间的电压恒定，所以在它们中间串入一个定值电阻可以直到恒流作用)。当流过R1的电流大于10A时，三极管T2导通，导致流过T1基极的电流减小，从而达到恒流目的。 (2) 恒压充电电路 而恒压充电电路相对比较简单，可以由一个集成三端稳压器构成:其电路图如图6所示: 图6 恒压充电电路 (3) 内阻测量 蓄电池性能的评价通常是通过测量其内阻来进行的。当蓄电池的蓄电能力下降时，其内阻会增加。当其蓄电能力降低至新蓄电池的一半时，其内阻会增加到新蓄电池的大约2倍。 在本方案中采用直流放电法进行内阻测量。其原理图如图7所示。 图7 直流放电法测量内阻原理图 图7中r为假定内阻，R为外接电阻。通过测量电路断开与接通时的电压，可分别得出蓄电池的电动势E和电阻R两端的电压U。则由欧姆定律可得 r＝(E-U)／U×R 本系统中容量检测电路非常简单，只要在蓄电池两端接入一个放电电阻，定期接通检测蓄电池两端的压降即可。 3.3 系统软件设计 系统软件设计包括总控制模块软件设计与分单元模块软件设计。其核心工作在于实现总模块与分模块之间的基于Modbus协议的通信。下面先对Modbus协议进行简要的介绍。 Modbus协议是Modicon公司制定的一种工业通讯协议，现在已经被许多工控厂商所支持，广泛的应用到智能仪表，总线控制等领域。Modbus协议采用主从结构的通信方式，适用于半双工的RS-485总线。工作时可以采用命令/应答的通讯方式，每一种命令帧都对应着一种应答帧。标准的Modbus协议中，为命令帧定义了许多功能码，不同的功能码要求从机进行不同的响应。在本系统中为了简化，只用到了其中的一个功能码0x03，即读取从机内部寄存器。总模块作为主机，分模块作为从机，它们之间通过功能码03来进行数据交换。 总模块的功能之一是监测键盘是否有键按下，根据键盘输入信息确定显示屏的显示，并不断向各分站发出查询指令，以获取各分站的重要数据。所以总模块的程序图如图8所示的流程组成，其中左边为主程序流程，右边为通讯子程序流程。 图8 总控制模块软件流程图 分单元模块的设计主要是AD读数子程序与通讯子程序。其主程序流程图如图9所示，其中左边为主程序流程，右边为通讯子程序流程。程序进行初始化后，开始读取电压与电流信号的数值。如果蓄电池电压小于13.5V或者充电电流大于电流限定值，则进行恒流充电，否则进行恒压充电。然后判断时间是否到了内阻检测时间(该时间可以自己设定，如设为每星期检测一次或者每月检测一次)，如果到了则进行内阻检测，否则执行下一步，调用通讯子程序。 图9 分单元模块软件流程图 4 结束语 本文给出了一种新型的直流屏蓄电池监测系统的设计方案，此方案解决了传统设计方案中不能为每节蓄电池提供合适浮充电压的缺点，更有效地保证了蓄电池的长寿命运行，并且能够减少蓄电池的备用量，有相当大的实用价值。 参考文献 ［1] 何立民,MCS-51系列单片机应用系统设计,北京:北京航空航天大学出版社,1990 ［2] 徐曼珍,阀控式密封蓄电池及其在通信中的应用,北京:人民邮电出版社,1997 ［3］ Modicon Modbus Protocol Reference Guide, MODICON, Inc 1996 作者简介 李金召(1976-) 男 武汉大学硕士研究生 主要从事现场总线技术研究和电子仪表的开发。 郑贵林(1963-) 男 武汉大学自动化系教授/博士生导师，主要从事检测技术与自动化装置、现场总线、工业自动化等方面的研发和教学
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