通信機(jī)房電力和溫度檢測的集散控制系統(tǒng)

許國泰 陳兵 王子瑋

摘要：本文主要介紹了在通信機(jī)房中，檢測壓縮機(jī)電力和室內(nèi)溫度的集散控制系統(tǒng)。本文利用互感器和傅里葉算法監(jiān)測空調(diào)壓縮機(jī)電流和PT100監(jiān)測各個機(jī)房的室溫的控制系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)集成到網(wǎng)頁端，使用IE可以遠(yuǎn)程監(jiān)控到整個機(jī)房的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：互感器；傅里葉算法；CAN BUS

中圖分類號：TP331 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0004-03

通信機(jī)房除了需要滿足空間、功能和工藝的需求之外，對于溫度的要求是非常嚴(yán)格的。而對于控制溫度，目前普遍采取空調(diào)降溫的辦法來控制整個通信機(jī)房的溫度。而每個機(jī)房的設(shè)備的數(shù)量，體積與整個機(jī)房的面積和結(jié)構(gòu)都是不同的，對于大型集中的通信機(jī)房的溫度控制就相當(dāng)迫切了。

對于溫度的控制，首先源于對空調(diào)性能的監(jiān)測和室內(nèi)溫度的監(jiān)測。通過遠(yuǎn)程在線web模式觀察和數(shù)據(jù)庫的錄入，就能對整個通信機(jī)房的環(huán)境進(jìn)行整體把握。本文通過對每個機(jī)房的各個空調(diào)的電源火線的壓縮機(jī)瞬間電流和常態(tài)電流進(jìn)行監(jiān)控，反映出空調(diào)工作狀態(tài)。結(jié)合室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，通過CAN BUS總線傳輸?shù)娇刂茩C(jī)房的主機(jī)上，進(jìn)行對整個集散控制系統(tǒng)的搭建，加強(qiáng)了智能化和可靠性的需求，也使造價昂貴的設(shè)備得以可靠運(yùn)行。

1 通信機(jī)房電力和溫度檢測的集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)分為三塊。第一塊是每個機(jī)房內(nèi)部的空調(diào)插座上安裝的電力和溫度測試盒，每一臺空調(diào)都配備有這樣一個盒子。第二塊是控制機(jī)房里的主控盒子，他通過CAN BUS與每一塊測試盒相連，接受每一個盒子的數(shù)據(jù)。第三塊是PC主機(jī)，通過USB與主控盒相連，得到數(shù)據(jù)并上傳WEB與錄入本地?cái)?shù)據(jù)庫。

整個系統(tǒng)最核心的部分就是測試盒，測試盒自帶電源線插入供電插座。而盒子上也會有一個插座，供空調(diào)的電源線插入。這樣就可以形成空調(diào)的交流電源線經(jīng)過測試盒來取電。而盒子內(nèi)部會把電源的火線在盒子內(nèi)部的電路板的互感器穿過。通過互感器就可以把交流信號取出，經(jīng)過整流和放大轉(zhuǎn)換成電壓信號。在送到ADC芯片TLC3544，通過SPI口輸入到處理器。處理器通過交流一周期16個點(diǎn)的高速采樣和軟件傅里葉計(jì)算后得到電流值暫存。在此期間，測試盒的溫度檢測通過PT100和放大電路對室內(nèi)溫度做采樣，1分鐘存儲一次?？刂坪袝诿?0分鐘去請求測試盒的電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，通過CAN BUS交互一次。交互后，測試盒會把上傳的數(shù)據(jù)清零。另外，在測試盒中，本身會對壓縮機(jī)電流、常態(tài)電流和溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，若有異常，會亮紅色報(bào)警燈和蜂鳴器提醒。

控制盒在未得到PC端的USB請求時，會一直重復(fù)各個機(jī)房的數(shù)據(jù)請求操作，并把各機(jī)房的數(shù)據(jù)全部存入控制盒中的NANDFL ASH中。在PC每隔1段時間來請求數(shù)據(jù)時，上傳數(shù)據(jù)，但是并不把數(shù)據(jù)清零，而是打上已讀標(biāo)記，留作備份。

PC在得到數(shù)據(jù)后，在本地?cái)?shù)據(jù)庫記錄系統(tǒng)時間和數(shù)據(jù)內(nèi)容。并定時刷新web后臺數(shù)據(jù)。

如圖1所示，本文的通信機(jī)房電力與溫度檢測集散控制系統(tǒng)測試盒圖。

2 測試盒硬件模塊設(shè)計(jì)

因整個系統(tǒng)的硬件部分主要集中在測試盒中，本章節(jié)主要介紹該部分內(nèi)容。

2.1 電源電路

系統(tǒng)電源采用臺灣明緯生產(chǎn)的SP_15_TA電源供電，該電源可以產(chǎn)生一路3.3V的穩(wěn)壓電源和兩路±12V的高精度電源。處理器及數(shù)字器件的供電電壓都為3.3V，而電流和溫度檢測所用的運(yùn)算放大器需要正負(fù)電源。這款電源符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

2.2 處理器電路

處理器選用ATMEL生產(chǎn)的AT91SAM7S64工業(yè)級ARM7處理器。該處理器是32位RISC架構(gòu)的高穩(wěn)定性工業(yè)現(xiàn)場芯片，自帶ADC處理模塊和多個內(nèi)部定時器中斷，滿足本系統(tǒng)的需求。

2.3 電流采樣和放大電路

本系統(tǒng)電流采樣傳感器選用LAH 25NP進(jìn)行電流采樣。使用TLC3544進(jìn)行信號采集。TLC3544是一個14位的AD轉(zhuǎn)換器。如圖2所示為傳感器原理連接圖。

其中電源供電±12V，我們在M這點(diǎn)連出輸入到AD的模擬端口。傳感器接線方式如表1所示。

因?yàn)樵趯?shí)際采樣過程中，AD的量程在0-5V以內(nèi)，故設(shè)極限值為25A，輸出電流為25mA則Rm≈5/0.025=200R。選擇標(biāo)稱電阻規(guī)格，200R（1/2W）1%采樣電阻。在進(jìn)入AD采樣之前，需要進(jìn)行橋式全波整流，以便轉(zhuǎn)換成0-5V的信號。AD轉(zhuǎn)換器使用14位AD芯片TLC3544。該芯片管腳圖如圖3所示。

模擬電源AVdd接入5V電源，數(shù)字電源接入3.3V電源。電流采樣信號模擬輸入接入A0口。輸出為SPI接口方式。

2.4 溫度采樣和放大電路

本系統(tǒng)的溫度采樣通過PT100金屬傳感器進(jìn)行采樣，通過分壓和放大送達(dá)處理器的ADC端，如圖4所示的溫度采樣和放大電路所示。PT100為無源傳感器，本身在0攝氏度時，內(nèi)阻為100R，根據(jù)溫度的變化，內(nèi)阻會呈現(xiàn)線性的變化。故采用110R電阻分壓后，經(jīng)過差分放大電路，可以在14位ADC下，分辨率可以達(dá)到0.01攝氏度的溫度變化。

2.5 CAN BUS

CAN BUS主要用來與主控制盒通信所用，CAN BUS屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：（1）網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)。（2）節(jié)點(diǎn)足夠多，方便組網(wǎng)。（3）有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，方便與其他系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.6 電力保護(hù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了浪涌（Surge）保護(hù)及對快速瞬變（EFT）的保護(hù)。另在電源入口增加了防雷電路，可以耐受浪涌耐壓最低標(biāo)準(zhǔn)為AC1500V。在每個芯片電源入口處，增加了電源濾波器電路，進(jìn)行對EFT的抵抗，使用耦合鉗進(jìn)行測試可以達(dá)到AC1500V，5KHz的測試標(biāo)準(zhǔn)。直流部分增加了三端濾波器進(jìn)行濾波，在模擬部分增加了低通濾波器等濾波電氣進(jìn)行抗干擾措施，可以達(dá)到一般的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EMC要求。滿足以上要求的前提為，對大地電阻須小于5歐姆，即必須可靠接地。

3 固件設(shè)計(jì)

3.1 交流采樣算法

本設(shè)計(jì)中，最重要的固件環(huán)節(jié)就是通過傅里葉變換的交流采樣算法。在本系統(tǒng)中，輸入為50Hz的正弦波，假定原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值，實(shí)際上故障后電流含有各種暫態(tài)分量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還會引入各種誤差，所以必需和數(shù)字濾波器配合使用。傅里葉算法本身具有濾波特性。不僅能夠完全濾掉各種整次諧波和純直流分量，對非整次高頻分量和按指數(shù)衰減的非周期分量包含的低頻分量也有一定的抑制能力。但是如果不采取措施，在最嚴(yán)重的情況下，由非周期分量造成的傅氏算法的計(jì)算誤差可能大于10%。

利用傅里葉變換，對每周波采樣點(diǎn)數(shù)為N的離散采樣系統(tǒng)，n次諧波電壓（或電流）的有效值、實(shí)部有效值和虛部有效值和相位分別為：

傅氏算法需要的數(shù)據(jù)窗長度就等于濾波器數(shù)據(jù)窗的長度（20ms），然后一個周期內(nèi)取16個采樣點(diǎn)，這樣既有濾波特性，又可以避免數(shù)據(jù)失真，這是它的很明顯的優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用處理器自帶的10位ADC，而定時器中斷的時間設(shè)置為1.25ms，對于傅里葉交流采樣算法都極為合適。

3.2 溫度采樣算法

本設(shè)計(jì)中，溫度的定位較為繁瑣，在系統(tǒng)首次使用時，需要對PT100傳感器進(jìn)行零點(diǎn)定位。即在冰水中測得一個溫度0℃時對應(yīng)的AD值，然后在近沸水95℃時測得一個值，根據(jù)這兩個值，算得本傳感器的斜率k和基礎(chǔ)值b。即Y=kX+b。通過主控制器把這兩個值輸入到處理器，存入片內(nèi)flash，上電后自動調(diào)用。本傳感器之后只能固定在此測試盒使用，無法更換，否則需要重新進(jìn)行錄入調(diào)零操作。

4 結(jié)語

通信機(jī)房電力和溫度檢測的集散控制系統(tǒng)目前已經(jīng)在通信機(jī)房應(yīng)用，取得了比較好的效果。在web上，可以一目了然的觀察到所有機(jī)房的空調(diào)工作情況和溫度情況，唯一不足的是，溫度初始化需要調(diào)零，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，需要改進(jìn)一種算法，以便適用于更大規(guī)模的監(jiān)控和生產(chǎn)場所。

參考文獻(xiàn)

[1]馬忠梅，徐英慧，葉勇建，林明.AT91系列ARM核微控制器結(jié)構(gòu)與開發(fā).北京航天航空大學(xué)出版社，2003.

[2]陳文進(jìn).配電自動化中數(shù)據(jù)同步采樣及算法研究[D].浙江大學(xué)，2003.

[3]張斌.基于小波變換和傅立葉變換的電能質(zhì)量分析方法[D].四川大學(xué)，2001.

[4]張艷平，李益華.電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控的交流采樣方法研究[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15（3）：39-41.