“يتم إنشاء نظام مراقبة طاقة تشغيل الطاقة من خلال التشغيل التلقائي لنظام الطاقة.يمكن للنظام إجراء عمليات مراقبة المعلمات وإنذار الأعطال على مصدر طاقة التيار المتردد ، ومصدر طاقة التحكم في التيار المستمر ، ومصدر طاقة التشغيل الاحتياطية وحالة التبديل في المحطة الفرعية. وبالتالي ، يمكن اكتشاف الوضع غير الطبيعي لنظام الطاقة في الوقت المناسب ، ويمكن اتخاذ الاحتياطات مسبقًا لضمان التشغيل المستمر والموثوق لنظام الطاقة. في الوقت نفسه ، عندما يفشل نظام الطاقة ، فإنه يوفر طاقة تشغيل احتياطية للمعدات الثانوية مثل المرحلات وقواطع الدائرة لحماية المعدات.
“
المؤلف: Feng Wei، Su Mei
1 المقدمة
يتم إنشاء نظام مراقبة طاقة تشغيل الطاقة من خلال التشغيل التلقائي لنظام الطاقة.يمكن للنظام إجراء عمليات مراقبة المعلمات وإنذار الأعطال على مصدر طاقة التيار المتردد ، وإمدادات طاقة التحكم في التيار المستمر ، ومصدر طاقة التشغيل الاحتياطية وحالة التبديل في المحطة الفرعية. وبالتالي ، يمكن اكتشاف الوضع غير الطبيعي لنظام الطاقة في الوقت المناسب ، ويمكن اتخاذ الاحتياطات مسبقًا لضمان التشغيل المستمر والموثوق لنظام الطاقة. في الوقت نفسه ، عندما يفشل نظام الطاقة ، فإنه يوفر طاقة تشغيل احتياطية للمعدات الثانوية مثل المرحلات وقواطع الدائرة لحماية المعدات.
أداة فحص البطارية هي جهاز كشف لمصدر الطاقة الاحتياطية. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في الكشف عن الجهد ودرجة الحرارة والسعة وغيرها من المعلمات للبطارية المفردة ، وتوفير وظائف مثل التحكم في الشحن وإنذار الأعطال ، بحيث يمكن للبطارية يمكن التحكم فيها بشكل معقول ويمكن إطالة عمر خدمة البطارية. ، تحسين موثوقية النظام.
بدأ نظام مراقبة الطاقة في أواخر الثمانينيات ، في ذلك الوقت ، كان بإمكانه فقط مراقبة نظام إمداد طاقة مستقل أو مكتب (محطة) ، ولم يكن مستوى مراقبة الطاقة مرتفعًا وكانت الموثوقية منخفضة. بعد التسعينيات ، خاصة في السنوات الأخيرة ، مع التطور السريع لتكنولوجيا الكمبيوتر والاتصالات وتحسين معدات إمداد الطاقة ، نضجت مراقبة الطاقة تدريجياً ، وتطورت لمراقبة دوائر متعددة أو حتى أنظمة متعددة.
يتعاون نظام مراقبة طاقة تشغيل الطاقة مع وحدة تحكم معقولة لتحقيق التشغيل الآمن والإرسال التلقائي لنظام الطاقة بشكل كامل من خلال التحكم في قاطع الدائرة ذات الجهد العالي ومعدات الترحيل الأخرى ، وذلك لتلبية احتياجات إرسال الطاقة الحديثة.
2 مخطط التصميم العام للنظام
تُستخدم أداة إدارة الطاقة هذه بشكل أساسي لمراقبة وإدارة طاقة التشغيل والطاقة الاحتياطية في المحطات الفرعية الصغيرة والمتوسطة الحجم. من أجل توفير طاقة البطاريات الاحتياطية بشكل أفضل ، تم اختيار متحكم MSP430F149 منخفض الطاقة ليكون المعالج جهاز.
2.1 وحدة أخذ العينات
تستخدم وحدة التيار المتردد جهاز قياس الطاقة ثلاثي الطور ATT7022B AC لمعالجة المعلمات مثل الطاقة النشطة والقوة التفاعلية والتوافقيات والجهد والتيار في جزء التيار المتردد. سعر ATT7022B رخيص نسبيًا ، وله واجهة SPI (واجهة طرفية تسلسلية ، واجهة طرفية تسلسلية) ، والتي يمكنها التواصل بسهولة مع متحكم MSP430F149.
مراقبة كمية المحولات ، بما في ذلك حالة فتح وإغلاق قاطع دائرة التيار المتردد (مصدران رئيسيان ومصدران احتياطيان للطاقة إجمالاً) ، و 8 مصادر طاقة للتحكم في التيار المتردد ، وحالة فتح وإغلاق قاطع دائرة التيار المستمر.
مراقبة كمية التيار المباشر ، بما في ذلك درجة الحرارة المحيطة ، ودرجة حرارة البطارية ، ودرجة حرارة وحدة التحكم الدقيقة ، والجهد الفردي للبطارية ، وإمدادات طاقة الإغلاق ثنائية الاتجاه ، والجهد التشغيلي ، وتيار الإغلاق.
2.2 وحدة واجهة الإنسان والآلة
لوحة المفاتيح هي مصدر الإدخال الأساسي. من أجل توفير التكاليف ، يتبنى النظام طريقة المسح لتحقيق لوحة مفاتيح المصفوفة ، ويعتمد شاشة الكريستال السائل الصينية.
2.3 وحدة الاتصالات
نظرًا لأن المتحكم الدقيق يحتوي على UART ، يتم استخدام طريقة الاتصال التسلسلي RS-232 لتحقيق الاتصال مع الكمبيوتر العلوي. من أجل تحقيق مطابقة المستوى مع الكمبيوتر المضيف ، يتم استخدام SP3220E كمحول مستوى الواجهة. يظهر تدفق العملية للمعدات في الشكل 1.
وفقًا للشكل 1 ، يتم إدخال العملية التكنولوجية للنظام في التسلسل من جهد التيار المتردد إلى جهد التيار المستمر.
إدارة حزمة البطارية. يكون الجهد المعدل بشكل عام أعلى من جهد حزمة البطارية لشحن حزمة البطارية. عند استخدامه لإمداد طاقة التشغيل ، يمكن التنحي عنه من خلال الصمام الثنائي ، ويتم استخدام مفاتيح مثل K1 و K2 لتحديد قيمة التنحي. يتم التحكم في المعالج بواسطة وحدة التحكم ، ويقوم المعالج بإجراء فحص شامل لحالة بطارية واحدة في حزمة البطارية ، ويعكس حالة استخدام البطارية في الوقت الفعلي ، وهو أمر مناسب لفهم حالة البطارية.
كشف معلمة التيار المتردد. يستخدم النظام جهاز قياس طاقة خاص ATT7022B لاكتشاف الجهد والتيار والطاقة النشطة وعامل الطاقة والتوافقيات وغيرها من معلمات شبكة التيار المتردد ، ويتم توصيله بالمتحكم الدقيق من خلال واجهة SPI التي تأتي مع الجهاز.
يتصل نظام الإدارة بالكمبيوتر العلوي في الوضع التسلسلي. يمكن للكمبيوتر المضيف اكتشاف النظام وتعديل معلمات التحكم ، وذلك لتحقيق أربع وظائف للتحكم عن بعد مثل القياس عن بعد ، والإشارات عن بعد ، والتحكم عن بعد ، والضبط عن بعد.
يظهر هيكل مبدأ الأجهزة للجهاز في الشكل 2. تشمل الوحدات الوظيفية الرئيسية ما يلي:
(1) راقب جهد ناقل التيار المتردد والتيار والتوافقيات والمعلمات الأخرى ، وأخذ عينات من دائرة التيار المتردد ، وقم بمعالجة البيانات المنفصلة (عينة من 20 إلى 0 مرة في دورة) ، وحساب الطاقة النشطة ، والطاقة التفاعلية ، وعامل طاقة الخط. يمكن تنفيذ هذه الوظائف باستخدام ATT7022B.
(2) مراقبة خطوط إمداد طاقة التشغيل DC المصححة. مراقبة جهدها وإغلاق التيار وما إذا كان مصدر طاقة التشغيل قد فشل. في الوقت نفسه ، يمكن استخدام الجهد الناتج عن المراقبة كأساس لتنظيم الجهد الأوتوماتيكي للديود ، وذلك لتحقيق التنظيم التلقائي للجهد خطوة بخطوة لمصدر طاقة التشغيل.
(3) إجراء فحص دورية (الكشف عن بطارية واحدة) لمعدات الإمداد بالطاقة الاحتياطية (البطارية) ، وفهم طاقة البطارية والمعلمات ذات الصلة ، واستبدال البطارية في الوقت المناسب ، والتحكم في حالة شحن البطارية وتفريغها. حافظ على البطارية في أفضل حالة وقم بإطالة عمر البطارية بشكل فعال.
(4) نظرًا لعدم وجود طلب كبير على لوحات المفاتيح الوظيفية للمعدات ، يمكن استخدام لوحة مفاتيح مصفوفة ممتدة من خلال منفذ الإدخال / الإخراج العام للحاسوب الصغير أحادي الشريحة ، ويعتمد جزء العرض وحدة عرض بلورية سائلة صينية.
(5) يستخدم بروتوكول الاتصال التسلسلي لتحقيق الاتصال مع الكمبيوتر العلوي ، والذي يمكن التحكم فيه ومراقبته عن بعد.
وفقًا لعملية النظام ، يمكن أن يكون معروفًا أن الوظائف الرئيسية للنظام لها ثلاث وحدات: وحدة أخذ عينات بيانات التيار المتردد ، ووحدة إدارة حزمة البطارية ، ووحدة تحليل إشارة إمداد طاقة التشغيل بالتيار المستمر ، بالإضافة إلى وحدات صغيرة أخرى مثل: شاشة العرض ولوحة المفاتيح ووحدة الاتصال وما إلى ذلك. تعمل الوحدات الثلاث الأولى بالتوازي ويتم أخذ عينات منها بطريقة دائرية. يتم تعيين وقت أخذ العينات بواسطة المؤقت. تظهر عملية تشغيل النظام في الشكل 3.
المتحكمات الدقيقة من سلسلة MSP430 لها ثلاثة أوضاع لاستهلاك الطاقة المنخفض ، من أجل تقليل استهلاك الطاقة ، يمكن استخدام وضع المقاطعة. يظهر سير عمل النظام في الشكل 4.
3 مخطط التصميم التفصيلي للنظام الفرعي للوحدة
3.1 تصميم أجهزة أخذ العينات DC
يتضمن جزء أخذ العينات DC بشكل أساسي التحكم في شحن البطارية وتفريغها ، ومراقبة ومراقبة جهد التشغيل والتيار بعد التصحيح. تشمل إدارة البطارية أيضًا درجة الحرارة والجهد والسعة وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، تنتمي دائرة إنذار الأعطال أيضًا إلى وحدة التيار المستمر. يمكن تقسيم دائرة أخذ العينات DC إلى أجزاء تصميم الأجهزة مثل دائرة فحص البطارية ، ومراقبة طاقة التيار المستمر ، وتبديل المدخلات ومخرجات التحكم.
تتضمن دائرة فحص البطارية مراقبة جهد خلية البطارية ، وكشف درجة الحرارة ، وشحن البطارية وتفريغها ، ودوائر الإنذار. تتضمن مراقبة جهد خلية البطارية تصميم دائرة أخذ العينات ودائرة منطق الفحص. تنقسم دائرة الكشف عن درجة الحرارة بشكل أساسي إلى ثلاث قنوات ، وهي درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة حزمة البطارية ودرجة الحرارة الداخلية للحاسوب المصغر أحادي الشريحة ، ويتم استخدام ما مجموعه ثلاث قنوات من محولات A / D. تستخدم دائرة شحن البطارية مصدر طاقة محول عالي التردد لشحنه ، ويستخدم البعض شاحن تبديل عالي التردد كمصدر طاقة الشحن ، ويستخدم مرحلًا للتحكم في شحن حزمة البطارية. عندما يكون مصدر الطاقة طبيعيًا ، يقوم مصدر طاقة التحويل عالي التردد بتزويد الطاقة مباشرة إلى مرحل الدائرة الثانوية. بمجرد فشل مزود الطاقة الرئيسي ، يتم استخدام مصدر الطاقة الاحتياطية على الفور لمنع الحوادث ، وتكون حزمة البطارية في وضع الاستعداد المستمر حالة. تقوم دائرة الإنذار بتشغيل الجرس وصمام الإنذار بشكل أساسي ، وذلك لتحقيق وظيفة إنذار الصوت والضوء.
تتضمن مراقبة طاقة التيار المستمر المصححة مراقبة الجهد والتيار والتحكم التلقائي في تنظيم الجهد في طاقة التشغيل. يمكن أن تستخدم مراقبة الجهد المستمر نفس طريقة تقسيم جهد المقاومة مثل أخذ عينات جهد البطارية المفردة ، ويمكنها مشاركة الأرض بجهد البطارية الفردي. يشمل مصدر طاقة التشغيل جميع الفولتية التشغيلية للقياس الثانوي ، والتي يتم توفيرها بواسطة مصدر طاقة التحويل عالي التردد.
يتكون دخل التبديل وإخراج التحكم بشكل أساسي من دائرة تكييف الإشارة ، ودائرة التحكم المنطقية ، ودائرة القيادة ، ودائرة فك تشفير العنوان ، ودائرة العزل ، وما إلى ذلك. إن بنية دائرة خرج التحكم هي نفسها بشكل أساسي.
3.2 تصميم أجهزة أخذ عينات التيار المتردد
يستخدم جزء التيار المتردد بشكل أساسي لمراقبة الجهد والتيار والطاقة والتوافقيات والمعلمات الأخرى لدائرة إمداد طاقة التيار المتردد في الوقت الفعلي لضمان التشغيل الآمن لدائرة إمداد الطاقة وفهم حالة التيار المتردد ثلاثي الأطوار مزود الطاقة ، واستهلاك الطاقة والطاقة التفاعلية ، وعامل الطاقة والمعلمات الأخرى ، بمجرد فشل مزود الطاقة ، يمكن اتخاذ تدابير معالجة الأخطاء في الوقت المناسب. في هذا التصميم ، يتم تحقيق أخذ العينات وحساب وحدة التيار المتردد بواسطة جهاز قياس الطاقة الكهربائية متعدد الوظائف ثلاثي الأطوار ATT7022B. من أجل ضمان التشغيل الآمن والمستقر للنظام ، يعتمد هذا التصميم على مصدر طاقة خارجي مدمج مع بطارية لتزويد الطاقة في نفس الوقت.
3.3 تصميم أجهزة دوائر الاتصال و HMI
يشتمل تصميم الدائرة بشكل أساسي على جزأين: تصميم دائرة واجهة الإنسان والآلة وتصميم دائرة واجهة الاتصال التسلسلي. يتضمن تصميم دائرة واجهة الإنسان والآلة بشكل أساسي دائرة مصفوفة لوحة المفاتيح ودائرة عرض الكريستال السائل. تُستخدم دائرة مصفوفة لوحة المفاتيح بشكل أساسي لإدخال البيانات لتحقيق التفاعل بين الإنسان والحاسوب ، ويعتمد تصميم لوحة المفاتيح لهذا النظام طريقة المسح لتحقيق لوحة مفاتيح المصفوفة. كمكون هام لواجهة الإنسان والآلة ، فإن دائرة عرض الكريستال السائل مهمة جدًا في المعدات الذكية.هذا التصميم يعتمد شاشة العرض البلورية السائلة الصينية LCM 12864ZK. ينتمي تصميم دائرة واجهة الاتصال إلى جزء تبادل المعلومات بين النظام والمضيف والمشغل. يعتمد الاتصال بين النظام والكمبيوتر المضيف على وضع الاتصال غير المتزامن UART.
4 تصميم البرمجيات
4.1 تصميم برنامج وحدة DC
نظرًا للتصميم المعياري للنظام ، يمكن برمجة كل وحدة بشكل مستقل. يتضمن تصميم البرنامج لوحدة التيار المستمر بشكل أساسي معلمات أخذ العينات مثل الجهد ودرجة حرارة البطارية المفردة والمدخلات الرقمية والتحكم في الإخراج للنظام. إنه يتضمن الفاصل الزمني لجولة أخذ العينات ، والفاصل الزمني لفحص درجة الحرارة ، وطريقة معالجة البيانات ، إلخ.
(1) تشمل مراقبة دائرة فحص البطارية بشكل أساسي قياس المعلمات مثل جهد خلية البطارية ودرجة حرارة البطارية ودرجة الحرارة المحيطة وحالة شحن البطارية وتفريغها. يشتمل اكتشاف درجة الحرارة على ثلاثة إجراءات فرعية في المجموع ، ويتم إدخال الوحدة الفرعية لاكتساب درجة الحرارة في وضع المقاطعة لتحقيق اكتساب درجة الحرارة.
(2) تشمل مراقبة مصدر طاقة ناقل التيار المستمر المعدل مراقبة الجهد والتيار وتشغيل جهاز تنظيم الجهد الأوتوماتيكي لمصدر الطاقة. تشمل الوظائف التي تم تحقيقها بواسطة وحدة البرنامج هذه بشكل أساسي ثلاثة أجزاء: الكشف عن الجهد ، واكتشاف تيار الإغلاق ، وجهاز تنظيم الجهد الأوتوماتيكي لإمداد الطاقة.
4.2 تصميم برنامج أخذ عينات التيار المتردد
يتم استخدام جزء أخذ عينات التيار المتردد لأخذ عينات الجهد والتيار لدائرة إمداد طاقة التيار المتردد في الوقت الفعلي ، وإجراء المعالجة ذات الصلة على البيانات للحصول على معلمات مثل الطاقة النشطة ، والطاقة التفاعلية ، وتوافقيات شبكة الطاقة. يمكن تحقيق هذه الوظائف بجهاز قياس الطاقة المخصص ATT7022B.
4.3 تصميم برامج واجهة الاتصال والإنسان والآلة
واجهة الإنسان والآلة هي وسيلة التفاعل وتبادل المعلومات بين النظام والمستخدمين ، والتي تحقق التحويل بين الشكل الداخلي للمعلومات والشكل المقبول للبشر. تعد الواجهة بين الإنسان والآلة جزءًا لا غنى عنه من المعدات الذكية. إنه المفتاح لفهم الأجهزة الذكية والتحكم فيها ، ويتضمن هذا التصميم بشكل أساسي جزأين: تصميم لوحة المفاتيح وشاشة LCD الصينية.
يتكون جزء إدخال لوحة المفاتيح من لوحة مفاتيح لمسح المصفوفة وما مجموعه 10 مفاتيح وظائف ، بما في ذلك: إعادة تعيين النظام ، وعرض معلمة البطارية ، وعرض معلمة التيار المتردد ، وعرض معلمة التيار المستمر ، وعرض حالة التبديل ، وعرض درجة الحرارة ، والانعطاف ، والرفض ، وإعادة التعيين حالة التنبيه. بالإضافة إلى ذلك ، هناك لوحة مفاتيح للتوسيع.
بالاقتران مع تصميم دائرة لوحة المفاتيح ، يتبنى وضع العرض البلوري السائل طريقتين: المعالجة الافتراضية والمقاطعة.في غياب أي إدخال مفتاح ، تعرض وحدة الكريستال السائل بيانات أخذ عينات التيار المتردد: بمجرد وجود إدخال مفتاح ، مثل عرض معلمة فحص البطارية ، ستدخل وحدة العرض على الفور في حالة عرض معلمة البطارية.
يدرك الاتصال التسلسلي الاتصال بين الكمبيوتر المصغر أحادي الشريحة والكمبيوتر العلوي ، بحيث يتم نقل البيانات التي تم جمعها إلى الكمبيوتر العلوي للمعالجة والتحكم.
4.4 وحدة معالجة البرنامج الرئيسية
كإطار عمل للنظام ، فإن وحدة معالجة البرنامج الرئيسية مسؤولة بشكل أساسي عن معالجة التنسيق وتفاعل البيانات بين الوحدات المختلفة. تتم تهيئة وحدة معالجة البرنامج الرئيسية أولاً ، والتي تتضمن بشكل أساسي تعريف كل وظيفة دبوس للحاسوب المصغر أحادي الشريحة وتعيين السجلات المقابلة ، والتي تتضمن أيضًا تعيين سجلات التحكم لكل وحدة دالة وإعداد المعلمات . ثم أدخل عملية المعالجة الخاصة بالبرنامج الرئيسي ، والذي يتضمن وحدتين من اتصالات SPI وشاشة عرض بلورية سائلة. يظهر تدفق معالجة البرنامج الرئيسي في الشكل 5. يعتمد البرنامج بأكمله أساسًا هيكل خدمة المقاطعة.من أجل تحقيق تفاعل البيانات بين برنامج المقاطعة والبرنامج الرئيسي ، يمكن للنظام تحديد بعض المتغيرات العالمية والمناطق العازلة العالمية بشكل مناسب لتحقيق تفاعل البيانات.
يدخل البرنامج الرئيسي اتصال SPI مباشرة بعد إعداد المعلمة ، ويخزن قيمة بيانات التيار المتردد في سجل وحدة التحكم الدقيقة ، ويحفظ ويضبط المعلمات ، ثم يقوم على الفور بمسح حالة التبديل (مسح حالة الإدخال / الإخراج).
كما يتضح من الشكل 5 ، تحتوي معالجة البرنامج الرئيسية على وحدتي وظيفتين بسيطتين فقط ، ومن ثم تكون مسؤولة عن حكم العلم وإعداد العلم. والآخر هو قراءة البيانات من المخزن المؤقت المحدد أو تخزين البيانات مؤقتًا في المخزن المؤقت المحدد. يتم إكمال جميع الوحدات الوظيفية الأخرى عن طريق معالجة المقاطعة ، ولا يقوم البرنامج الرئيسي إلا بتفاعل البيانات مع هذه الوحدات.
5. الخلاصة
النظام عبارة عن نظام معالجة متعدد المهام يعتمد على الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة MSP430F149. وهو موجه بشكل أساسي إلى الإدارة الشاملة للتشغيل الآلي للمحطات الفرعية الصغيرة والمتوسطة الحجم.لديها خصائص الخصوصية القوية والموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة. يشتمل النظام على قياس جهد خلية البطارية ، والكشف عن البطارية ودرجة الحرارة المحيطة ، والجهد الكهربي للتشغيل والكشف عن التيار ، والكشف عن جهد التيار المتردد (التيار ، وعامل الطاقة) (جزء اتصال SPI) ، واكتشاف حالة التبديل ، والتحكم التلقائي في تنظيم الجهد لمصدر طاقة التشغيل ، التحكم التلقائي في الشحن التلقائي للبطارية ذات الجهد المنخفض ، ولوحة المفاتيح والشاشة ، والاتصالات ، وما إلى ذلك ، ما مجموعه 9 وحدات رئيسية ، وتحتفظ أيضًا بمساحة توسع معينة ، والتي يمكن أن تلبي بشكل أساسي احتياجات الكشف والتحكم للمحطات الفرعية الصغيرة والمتوسطة الحجم. بالإضافة الى. نظرًا لأن معالج النظام لديه عملية موثوقة وأنماط تشغيل متعددة منخفضة الطاقة ، فهو مناسب بشكل خاص لاستخدام وحدات التحكم في الطاقة مثل المحطات الفرعية.