黃振信

（深圳達實智能股份有限公司軌道交通事業(yè)部，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著國內工業(yè)的迅速發(fā)展，蓄電池產業(yè)發(fā)展節(jié)奏加快，國內生產規(guī)模和生產水平不斷提高，鉛酸蓄電池產量不斷提升。蓄電池是現(xiàn)代新能源領域重要的組成部分，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中不可或缺，起到關鍵性的作用[1]。蓄電池是不間斷電源（UPS）的核心，且鉛酸蓄電池在市場份額中占有主導地位，因此也被廣泛應用到地鐵電力系統(tǒng)的后備電力儲備。應對供電系統(tǒng)中斷的傳統(tǒng)方法是啟動發(fā)電機，這種方法必然會造成用電設備的短時間斷電，這在地鐵電力系統(tǒng)等公共安全領域是無法被接受的。不間斷電源為解決供電系統(tǒng)斷電帶來了新的方法，鉛酸蓄電池在工業(yè)領域被廣泛使用。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境多變，電池或電池組可能工作在極端嚴峻的條件下，極有可能會因為電池本身質量、壽命或者外部惡劣環(huán)境的影響而導致性能降低甚至失效，從而帶來極大的經濟損失和安全隱患。但是在蓄電池使用過程中的配套監(jiān)測管理系統(tǒng)的發(fā)展還不完善。本文所設計的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)使用戶更加便利于對電池進行集中管理，是典型的集散控制系統(tǒng)，具有風險分散、管理集中的特點，分散工業(yè)生產中不可避免的事故，集中工業(yè)生產的監(jiān)測與管理，節(jié)省人力資源開銷[2-3]。很多工業(yè)設備所處的環(huán)境相當惡劣，給工業(yè)控制系統(tǒng)的布線和集成帶來極大的難度。

本文以地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）為研究對象，針對鉛酸蓄電池，詳細探討影響蓄電池性能和壽命的主要因素，具體分析蓄電池參數(shù)與蓄電池性能以及壽命之間的關系，確定待監(jiān)測參數(shù)、通信和數(shù)據(jù)傳輸方式，完成基于以太網的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)研究的相關工作，力爭實現(xiàn)地鐵等設備密集型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸，降低系統(tǒng)集成難度。研究的主要內容包括：參考對比目前主流測試蓄電池參數(shù)的技術和方法，以蓄電池失效機理和參數(shù)測量的相關理論為基礎，確定系統(tǒng)底層原始數(shù)據(jù)采集方案；研究主控制器與傳感層通信方式，確定2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸方案；以物聯(lián)網為研究主線，確定數(shù)據(jù)獲取、管理的方式，采用以太網網關等技術滿足遠程監(jiān)測，實現(xiàn)24 h現(xiàn)場無人值守；最后完成數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)分層

本課題對蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案參照物聯(lián)網三層模型，分層設計。按照數(shù)據(jù)采集、接入融合、人機交互的流程，物聯(lián)網的體系架構大致可分為3層：傳感層、網絡層和應用層[4-5]，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網體系架構圖

本次設計的監(jiān)測系統(tǒng)由上位機（PC）、網關、數(shù)據(jù)采集模塊3部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器在本次設計方案的最底層，對應物聯(lián)網三層模型中的傳感層，主要功能是根據(jù)設計算法，完成數(shù)據(jù)的搜集和簡單處理工作；網關對應于物聯(lián)網三層模型中的網絡層，由主控制器和相關外設實現(xiàn)，主控制器在應用程序的控制下，發(fā)送相應的指令讀取底層數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)；上位機位軟件對應于物聯(lián)網三層模型中的應用層，提供友好的人機界面，運行在Windows環(huán)境下，用戶可以通過簡單的操作遠程獲得工業(yè)現(xiàn)場蓄電池各項參數(shù)。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖

2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器為整個監(jiān)測系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，算法設計和數(shù)據(jù)采集的方法極為重要，獲取的原始數(shù)據(jù)其準確性直接影響到整個方案的可行性，在本次設計中選擇蓄電池內阻來表征蓄電池健康狀況。

諧波阻抗法表明被測蓄電池的內部阻抗，即為響應電壓與放電電流二者的基波傅立葉系數(shù)的比值[6]。本文通過四線制測量方法來進行蓄電池內阻測量，以小電流作為激勵電源，測量內阻兩端對應的電壓，計算蓄電池內阻。在實際操作過程中使用四線制測量方法，如圖3所示。四根線分為兩組，一組用來為底層測量模塊提供電源在微處理器控制下產生激勵電流，另一組用于測量。

圖3 四線制原理圖

硬件上選用意法半導體STM32F030F4P6作為采樣端微控制器，該款微處理器使用的是ARM Cortex M0內核，擁有32位數(shù)據(jù)處理寬度，16K ROM、4K RAM；采用其16通道的12位ADC進行蓄電池參數(shù)采集。MCU采集得到電壓、電流信號，并根據(jù)相關算法計算得到蓄電池內阻數(shù)據(jù)，經2.4G無線通信方式發(fā)送給網關。數(shù)據(jù)采集器原理框圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集器原理框圖

3 網關設計

網關(Gateway)又稱網間連接器、協(xié)議轉換器?，F(xiàn)有的很多網絡設備都按照OSI模型分層設計，所以網關必須能運行在OSI七層模型的幾個層上[7]，傳輸協(xié)議也是按照OSI模型進行工作。數(shù)據(jù)采集器利用2.4G無線通信技術將數(shù)據(jù)傳輸給網關，網關將數(shù)據(jù)經過以太網傳輸給監(jiān)控中心或服務器。

MCU是網關的核心部件，本文選用STM32F107VCT6互連型（Connectivity）系列微控制器，它的以太網控制模塊實現(xiàn)了一個與IEEE802.3標準兼容的以太網MAC，支持全雙工模式，可通過DMA方式進行數(shù)據(jù)收發(fā)。PHY（物理層）和MAC(媒體介質訪問層)是由以太網控制器實現(xiàn)的，在本次設計中，所選用的STM32F107VCT6微處理器本身集成了MAC控制器外設，采用外接一個PHY控制芯片DP83848（功能模塊如圖4、5所示）的方式，那么STM32F197VCT6中集成的MAC控制器就可以通過IEEE協(xié)議規(guī)定的MII或RMII、串行接口、與PHY（物理層）控制器芯片進行連接，構成以太網控制器，通過以太網變壓器接口即可實現(xiàn)以太網功能。當物理層芯片DP83848接收到來自以太網的上位機數(shù)據(jù)時，ARM通過MII接口(媒體獨立接口)讀取數(shù)據(jù)，并在內部通過DMA方式將數(shù)據(jù)寫入SRAM中交給TCP／IP協(xié)議棧進行處理。結構框架圖如5所示。

圖5 網關硬件結構框圖

本次設計選用LWIP協(xié)議實現(xiàn)網關與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。選用基于回調函數(shù)的API編程方法，回調函數(shù)會被LWIP代碼直接調用。它可以被移植到各種操作系統(tǒng)中，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行[8]。在移植LWIP協(xié)議棧后，其中有專門的函數(shù)傳遞當前連接的狀態(tài)、建立連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收，為了能實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的功能，還需要編寫特定的用戶程序。在協(xié)議棧的初始化過程中設置了一組適合以太網的MAC地址、IP地址、子網掩碼和網關地址作為網關以太網卡的屬性，如圖6中部分代碼所示。完成時鐘的同步與校準并使用ping指令檢測網絡是否暢通。

圖6 以太網部分屬性配置

4 上位機軟件

本次設計采用可視化編程語言來進行上位機開發(fā)，在多種可視化編程語言中,VB具有界面設計功能強的特點，選擇它作為開發(fā)平臺，可以快速地創(chuàng)建應用程序[9]。用戶只需要在一臺配有以太網物理接口的PC機上安裝專用的監(jiān)測軟件即可。用戶可在現(xiàn)場或遠離現(xiàn)場的場所完成蓄電池系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測。

用戶在完成指令認證之后即可進入監(jiān)測管理主界面，如圖7所示，主菜單及其功能如下：

節(jié)點配置：用于在監(jiān)測現(xiàn)場物理監(jiān)測節(jié)點數(shù)目和位置發(fā)生變化時，及時調整相關配置，便于系統(tǒng)檢測節(jié)點的擴展。

歷史曲線：搜集在一段時間內，對蓄電池單體或蓄電池組的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行繪圖，可直觀簡潔地顯示蓄電池參數(shù)變化。

歷史數(shù)據(jù)：保存系統(tǒng)周期性的測量結果，備于查閱。

歷史警告：記錄一段時間內系統(tǒng)的警告事件，并詳細顯示現(xiàn)場出現(xiàn)故障的蓄電池組或蓄電電池單體的標號以及故障原因。

圖7 檢測管理主界面

數(shù)據(jù)保存：在長時間的監(jiān)測記錄中，會產生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息能反映蓄電池在使用過程中的性能變化，數(shù)據(jù)保存能為進一步判定蓄電池的健康狀況提供有力的依據(jù)。

系統(tǒng)設置：設置所監(jiān)測的電池相關標稱參數(shù)，包括電池容量、標稱容量、標稱電壓、現(xiàn)場標號、數(shù)據(jù)自動清除時間、應用現(xiàn)場添加等。

退出：安全退出監(jiān)測軟件，清空登錄賬戶、密碼等信息，確保系統(tǒng)安全。

現(xiàn)場主機支持以太網通信，通信協(xié)議表如表1所示，部分指令集簡表如表2所示。

上位機通過按照約定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送指令，網關對協(xié)議進行解析，確定上位機指令含義，控制底層數(shù)據(jù)采集器執(zhí)行相關動作，獲取所需的蓄電池參數(shù)并組包反饋給上位機，完成一次數(shù)據(jù)采集。

表1 軟件通信協(xié)議

表2 部分指令集簡表

5 實驗分析與結論

在網關的協(xié)調下，監(jiān)測系統(tǒng)完成協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?。為了驗證該監(jiān)測系統(tǒng)的功能和可靠性，以蓄電池內阻的實時測量為例，通過分析監(jiān)測系統(tǒng)所采集的實時內阻數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)功能加以驗證，測試實驗如圖8所示。

圖8 測試實驗實物圖

大容鉛酸蓄電池的放電時間長，且內阻一般較小，在毫歐級別，因此在較長的時間內，蓄電池內阻變化非常小。為了便于實驗測試與操作，選用標稱為12V/100Ah的閥控鉛酸蓄電池為實驗對象，在數(shù)據(jù)采集器地址為01.01.01的蓄電池的極柱一端串連2 mΩ、4 mΩ的電阻，模擬蓄電池放電過程中內阻的變化情況，分別測量在未串連電阻時和串聯(lián)電阻之后的蓄電池等效內阻，分別發(fā)送指令讀取地址編號為01.01.01的蓄電池最近一次等效內阻：

P-LEB 90 0A 01 01 01 01 B3

L-PEB 90 0A 01 01 01 05 B3 D1 D2 D3 D4得到結果如表3所示。

表3 歐姆內阻測量結果mΩ

從表3可看出，這種測量方法的可重復性在2%以內，可準確反映出蓄電池在放電過程中的內阻值變化，這種測量方法在原理上是可行的。從數(shù)據(jù)的一致性可以看出在網關與數(shù)據(jù)采集器和PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸未出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂和丟包等現(xiàn)象，監(jiān)測系統(tǒng)的功能滿足設計要求。