地鐵電力系統蓄電池監測系統網關設計

黃振信

（深圳達實智能股份有限公司軌道交通事業部，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著國內工業的迅速發展，蓄電池產業發展節奏加快，國內生產規模和生產水平不斷提高，鉛酸蓄電池產量不斷提升。蓄電池是現代新能源領域重要的組成部分，在現代工業發展中不可或缺，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的后備電力儲備。應對供電系統中斷的傳統方法是啟動發電機，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斷電帶來了新的方法，鉛酸蓄電池在工業領域被廣泛使用。由于工業現場環境多變，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測管理系統的發展還不完善。本文所設計的蓄電池監測系統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，具有風險分散、管理集中的特點，分散工業生產中不可避免的事故，集中工業生產的監測與管理，節省人力資源開銷[2-3]。很多工業設備所處的環境相當惡劣，給工業控制系統的布線和集成帶來極大的難度。

本文以地鐵電力監控系統（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與蓄電池性能以及壽命之間的關系，確定待監測參數、通信和數據傳輸方式，完成基于以太網的蓄電池監測系統研究的相關工作，力爭實現地鐵等設備密集型系統的數據無線傳輸，降低系統集成難度。研究的主要內容包括：參考對比目前主流測試蓄電池參數的技術和方法，以蓄電池失效機理和參數測量的相關理論為基礎，確定系統底層原始數據采集方案；研究主控制器與傳感層通信方式，確定2.4G無線數據傳輸方案；以物聯網為研究主線，確定數據獲取、管理的方式，采用以太網網關等技術滿足遠程監測，實現24 h現場無人值守；最后完成數據分析。

1 系統分層

本課題對蓄電池監測系統的設計方案參照物聯網三層模型，分層設計。按照數據采集、接入融合、人機交互的流程，物聯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 物聯網體系架構圖

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

圖2 系統結構圖

2 數據采集器

數據采集器為整個監測系統提供原始數據，算法設計和數據采集的方法極為重要，獲取的原始數據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位數據處理寬度，16K ROM、4K RAM；采用其16通道的12位ADC進行蓄電池參數采集。MCU采集得到電壓、電流信號，并根據相關算法計算得到蓄電池內阻數據，經2.4G無線通信方式發送給網關。數據采集器原理框圖4所示。

圖4 數據采集器原理框圖

3 網關設計

網關(Gateway)又稱網間連接器、協議轉換器。現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]，傳輸協議也是按照OSI模型進行工作。數據采集器利用2.4G無線通信技術將數據傳輸給網關，網關將數據經過以太網傳輸給監控中心或服務器。

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方式進行數據收發。PHY（物理層）和MAC(媒體介質訪問層)是由以太網控制器實現的，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協議規定的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據時，ARM通過MII接口(媒體獨立接口)讀取數據，并在內部通過DMA方式將數據寫入SRAM中交給TCP／IP協議棧進行處理。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協議實現網關與上位機的數據傳輸。選用基于回調函數的API編程方法，回調函數會被LWIP代碼直接調用。它可以被移植到各種操作系統中，也可以在無操作系統的情況下獨立運行[8]。在移植LWIP協議棧后，其中有專門的函數傳遞當前連接的狀態、建立連接、數據發送、數據接收，為了能實現監測系統的功能，還需要編寫特定的用戶程序。在協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，在多種可視化編程語言中,VB具有界面設計功能強的特點，選擇它作為開發平臺，可以快速地創建應用程序[9]。用戶只需要在一臺配有以太網物理接口的PC機上安裝專用的監測軟件即可。用戶可在現場或遠離現場的場所完成蓄電池系統的參數監測。

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

節點配置：用于在監測現場物理監測節點數目和位置發生變化時，及時調整相關配置，便于系統檢測節點的擴展。

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測數據進行繪圖，可直觀簡潔地顯示蓄電池參數變化。

歷史數據：保存系統周期性的測量結果，備于查閱。

歷史警告：記錄一段時間內系統的警告事件，并詳細顯示現場出現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

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

系統設置：設置所監測的電池相關標稱參數，包括電池容量、標稱容量、標稱電壓、現場標號、數據自動清除時間、應用現場添加等。

退出：安全退出監測軟件，清空登錄賬戶、密碼等信息，確保系統安全。

現場主機支持以太網通信，通信協議表如表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據格式發送指令，網關對協議進行解析，確定上位機指令含義，控制底層數據采集器執行相關動作，獲取所需的蓄電池參數并組包反饋給上位機，完成一次數據采集。

表1 軟件通信協議

表2 部分指令集簡表

5 實驗分析與結論

在網關的協調下，監測系統完成協議轉換、數據采集、數據傳輸的任務。為了驗證該監測系統的功能和可靠性，以蓄電池內阻的實時測量為例，通過分析監測系統所采集的實時內阻數據，對系統功能加以驗證，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，在數據采集器地址為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電阻之后的蓄電池等效內阻，分別發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。從數據的一致性可以看出在網關與數據采集器和PC機之間的數據傳輸未出現數據混亂和丟包等現象，監測系統的功能滿足設計要求。