單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方案

引言

社會(huì)生活的現(xiàn)代化對(duì)供電的要求越來越高，許多大型建筑尤其是公共建筑設(shè)施如機(jī)場(chǎng)、高速公路、隧道、商場(chǎng)、辦公大樓、展覽中心等，一旦供電系統(tǒng)產(chǎn)生突發(fā)故障，會(huì)產(chǎn)生許多意想不到的狀況，給人們正常的生產(chǎn)生活造成惡劣影響，甚至帶來人員傷亡。電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移。在這種情況下，備用電源就顯得異常重要?！陡邔用裼媒ㄖ?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)防火規(guī)定》，《民用建筑電器設(shè)計(jì)規(guī)范》就嚴(yán)格規(guī)定：“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)電源供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源應(yīng)不致同時(shí)損壞。一級(jí)負(fù)荷重要的負(fù)荷，除上述兩個(gè)電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源”[1][2]。消防應(yīng)急電源，專門為消防設(shè)備和一級(jí)負(fù)荷或照明用電設(shè)計(jì)，它是建筑物內(nèi)出現(xiàn)緊急情況下，為疏散照明提供集中供電的應(yīng)急專用電源設(shè)備。

1 系統(tǒng)的原理和組成

應(yīng)急電源也稱EPS，全稱是Emergency Power Supply。消防應(yīng)急電源是用于消防，允許短時(shí)電源中斷的應(yīng)急電源裝置。作為消防應(yīng)急電源系統(tǒng)，當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為疏散照明和其它重要的一級(jí)供電負(fù)荷提供集中供電，消防應(yīng)急電源系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括整流充電器、蓄電池組、逆變器、互投裝置等部分。其中逆變器是功率核心，主要采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)。整流器的作用是將交流電變成直流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池智能充電以儲(chǔ)存能量。逆變器的作用則是將蓄電池儲(chǔ)存的直流電變換成工頻交流電，供給負(fù)載設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)的電力?；ネ堆b置保證負(fù)載在市電及逆變器輸出間的順利切換。系統(tǒng)控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)可通過串行口（RS485總線或CAN總線）與計(jì)算機(jī)或Modem連接，上位機(jī)采用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的微機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

工作原理如圖2所示。在正常情況時(shí)，由交流市電經(jīng)過互投裝置給重要負(fù)載供電，當(dāng)交流市電斷電后，互投裝置將立即切換至逆變器供電方式，啟動(dòng)逆變器給負(fù)載裝置供電，供電時(shí)間由蓄電池的容量決定，當(dāng)市電電壓恢復(fù)時(shí)，將由應(yīng)急電源供電恢復(fù)為市電供電[3][4]。

圖1　EPS應(yīng)急電源的系統(tǒng)組成

擁有Modbus通信模塊的控制器即可用作標(biāo)準(zhǔn)Modbus設(shè)備，以主(即上位機(jī))—從(即下位機(jī))方式與上位機(jī)通訊?？蓪⑷舾膳_(tái)控制器或其它Modbus設(shè)備通過ＲＳ485總線組建成Modbus網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一納入上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 消防應(yīng)急電源工作原理

2 主電路硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Atmega16作為控制器的CPU。Atmega16單片機(jī)是AVR系列單片機(jī)中的高檔產(chǎn)品，集成了許多功能，省卻了外擴(kuò)電路，如：具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM可以保存故障記錄和操作記錄，1K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，可以通過SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，足夠系統(tǒng)使用，不用外擴(kuò)存儲(chǔ)器?？梢援a(chǎn)生10位的PWM波，足夠系統(tǒng)要求的精度和頻率。一路SPI接口與PC機(jī)通信和蓄電池板通信。內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器，無需外接看門狗芯片。其具有8路模擬通道。

根據(jù)單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)要求，以及分析的控制器功能，設(shè)計(jì)出控制器硬件，包括以下部分?？刂破骺傮w硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 時(shí)鐘

由于系統(tǒng)中需要記錄應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)間和應(yīng)急持續(xù)時(shí)間，在主菜單中也有系統(tǒng)年月日和時(shí)間顯示，所以系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路?？刂破鬟x用DS1302作為時(shí)鐘，因?yàn)镈S1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。

2.2 JTAG

Atmega16具有JTAG 接口（與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容），可以通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程，這給程序調(diào)試帶來了及大的方便。

2.3 鍵盤中斷

根據(jù)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了三個(gè)按鍵即復(fù)位鍵、翻屏鍵和確認(rèn)鍵，所以采用獨(dú)立式按鍵結(jié)。為了保證實(shí)時(shí)性鍵盤子程序都通過中斷程序處理對(duì)MCU的三個(gè)I/O口進(jìn)行掃描。

2.4 液晶顯示

本系統(tǒng)采用的液晶是M126411SLYH-J3，它能顯示4行8列，藍(lán)色的底色。它是不帶字庫(kù)的，接受的是點(diǎn)陣，顯示一個(gè)漢字需要32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。該液晶和MCU相連的有吧根數(shù)據(jù)線、R/W是讀寫控制線、D/I是數(shù)據(jù)和指令的方向控制線。自身還有E使能控制線和復(fù)位線。

2.5 信號(hào)采集

信號(hào)采集電路分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)采集兩部分。數(shù)字信號(hào)采集就是開關(guān)量要檢測(cè)，比如市電接觸器、逆變接觸器、中間繼電器、直流接觸器等的返回接點(diǎn)，強(qiáng)啟、自動(dòng)/手動(dòng)、充電等開關(guān)和各輸出支路的檢測(cè)都可以轉(zhuǎn)換成檢測(cè)開關(guān)量的方式來判斷它們的狀態(tài)變化。開關(guān)量檢測(cè)單元電路有光電耦合器、多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，同時(shí)在光電耦合器的前端為每個(gè)開關(guān)返回節(jié)點(diǎn)接了一只發(fā)光二極管，當(dāng)節(jié)點(diǎn)合上時(shí)，相應(yīng)的二極管發(fā)光從而能直觀判斷出來。

模擬信號(hào)采集主要包括對(duì)市電電壓、電流，蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。對(duì)這些模擬量的檢測(cè)通過TLC2543采集，TLC2543是TI公司的串行A/D，它擁有12位的高精度，11路通道，快達(dá)10us的轉(zhuǎn)換時(shí)間。有3個(gè)控制輸入端片選/CS、輸入輸出時(shí)鐘I/O CLOCK和地址輸入（數(shù)據(jù)輸入）AIN。它可以通過一個(gè)串行三態(tài)輸出與處理器或外設(shè)的串口進(jìn)行通訊。

2.6 聲光報(bào)警

為了方便用戶，控制器配有指示燈和蜂鳴器。四個(gè)燈是鍵盤上的四個(gè)指示燈（主電、應(yīng)急、充電、故障），當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急或故障時(shí)開通蜂鳴器。用TLP521-4隔離光偶芯片作為驅(qū)動(dòng)并防止干擾MCU。

2.7 通訊接口

以Modbus協(xié)議串行通信時(shí)一幀收發(fā)的過程和原理如下：數(shù)據(jù)發(fā)送的過程(以發(fā)送5到8 位數(shù)據(jù)位的幀為例)是:程序檢測(cè)到數(shù)據(jù)寄存器空標(biāo)志位UDRE置位時(shí),CPU通過將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器來加載發(fā)送緩沖器，緩沖的數(shù)據(jù)待移位寄存器準(zhǔn)備就緒時(shí)被移入

圖4 通訊流程圖

其中,再由硬件自動(dòng)發(fā)送，并在TXD引腳上出現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收的過程則與發(fā)送相反。數(shù)據(jù)發(fā)送或接收都可用輪詢和中斷兩種方式[5]。遠(yuǎn)程串行通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

3 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)一般指PC機(jī)或其他功能較強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)，主要用來處理其他設(shè)備（下位機(jī)）發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)其發(fā)號(hào)司令，上位機(jī)是相對(duì)于下位機(jī)而言，一般情況下一個(gè)上位機(jī)對(duì)應(yīng)幾個(gè)下位機(jī)，把下位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器或者把服務(wù)器的控制信息發(fā)送給下位機(jī)，有時(shí)候上位機(jī)本身就充當(dāng)服務(wù)器。本系統(tǒng)需要用上位機(jī)處理控制器傳來的各種數(shù)據(jù)，比如對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)等。

3.1 工控軟件MCGS的介紹

MCGS (Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺(tái)上）運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案。

3.2 工控軟件MCGS在本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

工控軟件MCGS在本設(shè)計(jì)中最主要的作用就的數(shù)據(jù)檢測(cè)，仿真測(cè)試方法如下：先用一根RS232串行通信線在本地近距離連接上位ＰＣ機(jī)和測(cè)試儀，在MCGS的設(shè)備組態(tài)窗口中選擇通用串口父設(shè)備,再給它添加“莫迪康RTU”子設(shè)備，并詳細(xì)配置其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中)、寄存器地址等參量,配置及仿真測(cè)試界面見圖5。由圖5可見，選中“設(shè)備調(diào)試”選項(xiàng)卡后通道值一欄已填滿實(shí)際數(shù)據(jù)，即組態(tài)軟件已采集到所連下位設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。因收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x近，故該微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很好，幾乎無時(shí)間延遲和網(wǎng)絡(luò)傳輸滯后問題?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，雖因數(shù)據(jù)串行傳輸而有時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，但還不至于丟失數(shù)據(jù)，原因是程序中采用標(biāo)志變量控制機(jī)制，即用一個(gè)布爾型變量來標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)是否收發(fā)結(jié)束，只有按協(xié)議規(guī)定完整收發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)幀后標(biāo)志位的值才會(huì)變化，程序才會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行，否則程序處于等待狀態(tài)直到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲結(jié)束。這就比簡(jiǎn)單按照網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲來計(jì)算幀間隔時(shí)間要可靠得多，從而保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

圖5　MCGS通訊測(cè)試界面

4 結(jié)論

目前，單相應(yīng)急電源已廣泛的用于消防系統(tǒng)中，是一些智能樓宇必不可卻的設(shè)備之一。本課題設(shè)計(jì)一個(gè)以Atmega16為核心CPU的單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)控制器，作為一個(gè)智能控制器，它實(shí)現(xiàn)了多種功能，為整個(gè)系統(tǒng)可靠性工作提供了保障?？刂破髂軌蚝芎玫膶?duì)市電和蓄電池進(jìn)行檢測(cè)，可以通過485總線，通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到幾百米的安全寬敞的總的控制臺(tái)，然后通過上位機(jī)組態(tài)軟件與AVR單片機(jī)實(shí)時(shí)通信。