基于OPC技術(shù)的廣播電視UPS智能電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊致國(guó)

（中國(guó)廣電四川網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著廣播電視行業(yè)的快速發(fā)展，其對(duì)電視節(jié)目播出系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的廣泛使用能夠有效解決廣播電視節(jié)目安全播出的供電穩(wěn)定性問(wèn)題，尤其是解決了因供配電系統(tǒng)短時(shí)間斷電導(dǎo)致儀器、設(shè)備故障，直接影響播出系統(tǒng)正常工作，并造成電視節(jié)目播出事故的問(wèn)題[1]?；趶V播電視UPS使用的基本現(xiàn)狀，分析供配電基本原理、UPS系統(tǒng)架構(gòu)以及組織邏輯，通過(guò)過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入（OLE for Process Control，OPC）技術(shù)全面實(shí)現(xiàn)廣播電視 UPS的智能化監(jiān)測(cè)與自主式控制，將獨(dú)立、離散的UPS節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)籌管理，提升廣播電視UPS的整體運(yùn)行效率，并保證系統(tǒng)供配電的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

1 UPS系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

UPS系統(tǒng)的內(nèi)部組成主要包括主機(jī)、充電裝置、濾波器組、整流器組、逆變器組以及電池組等，如圖1 所示[2]。

圖1 UPS系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制

UPC系統(tǒng)的前置濾波器組可以在市電供電時(shí)濾除電流中的雜質(zhì)和不連續(xù)的電磁波，尤其是在系統(tǒng)運(yùn)行端需要穩(wěn)流時(shí)，前置濾波發(fā)揮著重要作用。經(jīng)濾波后的交流電會(huì)通過(guò)整流器同步變換成直流電，之后逆變器會(huì)根據(jù)用電設(shè)備的實(shí)際需求將穩(wěn)壓直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定、持續(xù)的交流電，并直接供應(yīng)給使用端設(shè)備，同時(shí)通過(guò)充電裝置同步給蓄電池組進(jìn)行持續(xù)充電[3]。一旦供配電系統(tǒng)突發(fā)斷電或故障無(wú)法提供持續(xù)電源時(shí)，則由蓄電池組進(jìn)行供電，此時(shí)逆變器將穩(wěn)壓的直流電轉(zhuǎn)換為可供使用的交流電，持續(xù)供電。無(wú)論是市電還是蓄電池組供電，逆變器均無(wú)需切換，其常態(tài)工作可以滿足使用端的長(zhǎng)時(shí)間用電需求。此外，UPS系統(tǒng)的旁路裝置可以視為一種安全保護(hù)機(jī)制。在UPS故障或者需要停止工作進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，能夠通過(guò)旁路裝置完成供電。

2 UPS系統(tǒng)的組織優(yōu)化

2.1 使用端負(fù)載分析

目前，UPS系統(tǒng)主要對(duì)廣播電視節(jié)目播出系統(tǒng)中的電子設(shè)備進(jìn)行供配電。根據(jù)電子線路基礎(chǔ)理論可知，電子類的設(shè)備在使用中通常會(huì)出現(xiàn)2種類型的負(fù)載，即待機(jī)狀態(tài)的負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)載。為了達(dá)到較好的使用性能，部分設(shè)備可能會(huì)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載率隨著設(shè)備的使用率不斷發(fā)生變化[4]。經(jīng)系統(tǒng)仿真，受使用率影響的負(fù)載率同樣會(huì)對(duì)UPS系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如圖2所示。隨著使用端負(fù)載的不斷增大，UPS系統(tǒng)的運(yùn)行效率也在逐步提升，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 UPS系統(tǒng)運(yùn)行效率曲線

2.2 優(yōu)化模塊式供電模式

在廣播電視節(jié)目播出系統(tǒng)正常工作時(shí)，其使用端的負(fù)載處于變化狀態(tài)，與使用需求相關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)UPS始終處于較高運(yùn)行性能的狀態(tài)。為了解決這一問(wèn)題，可以采取模塊式可變邏輯編程機(jī)制來(lái)優(yōu)化UPS的供電模式，即對(duì)UPS市電供給輸入端、主機(jī)以及蓄電池組模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示[5]。

圖3 UPS系統(tǒng)模塊式供電模式

在可變邏輯編程機(jī)制的模塊化UPS供電系統(tǒng)中，智能控制器能夠?qū)崟r(shí)采集使用端的負(fù)載數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。采取不同機(jī)制分別調(diào)節(jié)市電供給模式、UPS運(yùn)行模式所需要的供電模塊或充電模塊數(shù)量，同步調(diào)節(jié)輸出端負(fù)荷，確保整個(gè)UPS系統(tǒng)輸出-輸入機(jī)制能夠始終處于最優(yōu)狀態(tài)[6]。

3 UPS系統(tǒng)的智能監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.1 基本思路

通過(guò)前期的運(yùn)行效率優(yōu)化，促使UPS系統(tǒng)長(zhǎng)期處于良好的工作狀態(tài)，為后續(xù)基于OPC技術(shù)構(gòu)建智能監(jiān)控系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[7]。首先，通過(guò)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）通信卡完成數(shù)據(jù)端的串口通信和網(wǎng)口實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，此時(shí)UPS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)IP化的網(wǎng)絡(luò)功能；其次，監(jiān)控裝置、設(shè)備等接入至ESD 3000配電系統(tǒng)，此時(shí)廣播電視播出系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)UPS組成了分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)自主式的遠(yuǎn)程智能控制；最后，利用OPC技術(shù)完成ESD 3000與UPS系統(tǒng)的對(duì)接。

3.2 配置參數(shù)

基于OPC技術(shù)的UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)可以在廣播電視臺(tái)原有的多個(gè)UPS（30 kVA）上重構(gòu)，同時(shí)SNMP通信卡能夠在多個(gè)UPS上實(shí)現(xiàn)熱拔插，根據(jù)需求完成設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)UPS系統(tǒng)的自組網(wǎng)。配置參數(shù)如表1所示[8]。UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)需要配置5套SNMP通信卡、1套對(duì)象連接與嵌入組件、1套Modem調(diào)制設(shè)備、1套遠(yuǎn)程控制服務(wù)器以及若干RJ45千兆超6類網(wǎng)線，同時(shí)還需要配置相應(yīng)的主機(jī)插槽和數(shù)據(jù)通信線路等。

3.3 功能分析

利用網(wǎng)絡(luò)化的異地遠(yuǎn)程UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守系統(tǒng)自主獨(dú)立運(yùn)行、有人值班系統(tǒng)管理控制運(yùn)維等功能，完成不間斷電源UPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)檢查與分析、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整、任務(wù)計(jì)劃的自主添加與干預(yù)等工作。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)通過(guò)短報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)通信或遠(yuǎn)程信號(hào)預(yù)警等方法將突發(fā)情況告知技術(shù)人員并自動(dòng)處置，將相關(guān)過(guò)程性數(shù)據(jù)和判斷性結(jié)論錄入至數(shù)據(jù)池，便于管理人員遠(yuǎn)程調(diào)取和實(shí)時(shí)介入干預(yù)等。

3.4 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互

通過(guò)OPC技術(shù)，可以將ESD 3000配電系統(tǒng)的各路采集設(shè)備與OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的無(wú)人化終端進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)功能。Client組件完成了從系統(tǒng)后臺(tái)至數(shù)據(jù)端口的跨越式訪問(wèn)，監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)可以同步至數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了UPS智能監(jiān)控→ESD 3000配電系統(tǒng)→終端數(shù)據(jù)池的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互[9]。此外，智能監(jiān)控的橋接功能可以有效解決信息通信協(xié)議不一致、數(shù)據(jù)文件格式不統(tǒng)一等問(wèn)題。

4 UPS智能電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 組件選取

智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理器選擇6ES7214-1AG40-0Xb0，可以實(shí)現(xiàn)信息通信功能的擴(kuò)展。該芯片使用超性能的SIMATIC S7-1200緊湊型CPU內(nèi)核，工作頻率為50 MHz，機(jī)載I/O端口支持14個(gè)直流24 V數(shù)字輸入與10個(gè)直流24 V數(shù)字輸出，電源為直流20.4～28.8 V。綜合該核心處理器的性能和擴(kuò)展功能，可以充分滿足智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要求，并降低重復(fù)建設(shè)成本和技術(shù)維護(hù)難度。

4.2 數(shù)據(jù)采集

無(wú)人值守狀態(tài)下，智能系統(tǒng)會(huì)采取自主式的自動(dòng)巡檢，同時(shí)完成電壓、電流的數(shù)據(jù)采集。電壓數(shù)據(jù)輸出范圍0～60 V，為了滿足智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化處理精度的要求，實(shí)際采集間隔可以取極小值0.001 V。根據(jù)32位模數(shù)變化的基本標(biāo)準(zhǔn)，選擇DFN1X1-4l模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其具有串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI），大大提升了處理器的外設(shè)擴(kuò)展能力，能夠與6ES7214-1AG40-0Xb0進(jìn)行實(shí)時(shí)連接?？紤]到采集的數(shù)據(jù)量較大，為了提高效率，利用測(cè)試電阻器完成電流信號(hào)向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變后，再通過(guò)DFN1X1-4l完成數(shù)據(jù)采集。

4.3 信息交互

UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)與數(shù)字終端機(jī)的信息傳遞，使用的是核心處理器中的USART1接口[10]。數(shù)字終端機(jī)外接TUSB3410IRHB，可以實(shí)現(xiàn)USB接口與RS232接口之間的雙向數(shù)據(jù)交互。除此之外，通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的信息傳遞。以太網(wǎng)的智能芯片選取W5500，集成了媒體訪問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）和物理接口收發(fā)器，提供SPI接口完成網(wǎng)絡(luò)通信。

5 結(jié) 論

通過(guò)分析UPS基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成，利用可變編程邏輯實(shí)現(xiàn)了UPS供配電模式的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)基于OPC技術(shù)的UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警、自主決策以及智慧運(yùn)維等功能，利用SNMP機(jī)制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和系統(tǒng)維護(hù)，有效提升了UPS的工作效率和廣播電視節(jié)目播出的穩(wěn)定性、可持續(xù)性。