一种离心机中频电源系统综合参数网络监控模块的制作方法

本发明属于电气设备自动化网络监测控制技术领域，具体涉及一种离心机中频电源系统综合参数网络监控模块。

背景技术：

60年代末，欧美一些工程技术人员开始将计算机应用到供电监测系统中来。由于早期计算机性能较差，所以供电监测系统的实时性得不到满足。但随着集成电路的诞生和发展，计算机性能得到极大地提升，价格也随之下调，使得计算机系统逐步地进入工业控制领域，并出现了一些具有检测、保护，控制及通信功能的供电系统综合自动化方案。德国西门子公司于1985年设计开发出了lsa678无人值守的变电站监控系统。随着自动化技术的发展，国外一些知名电气厂商如西门子、施耐德、通用已经生产出一系列多功能保护继电器，并将其用在配电线和输电线上作保护、控制和监视，此类设备通常具有过流、过压，功率和相序等保护功能。除此之外，此类设备还集成了通讯接口和通讯协议。

我国对供电系统的远程监测技术研究起步较晚，不过随着国内相关技术的发展，我国科研人员也研究设计出了一些适用于我国工业生产的供电监测系统。目前，国内已有许多自动化公司开始对供电监测系统进行研究，并且已经研发出相应的产品投入到使用之中。

在铀浓缩离心级联供电中，大功率中频供电装置数量多，多以区域划分供电为主，每台中频电源与2台机组区段供电柜组成一套完整的中频电源供电装置，每5套中频供电装置组合成一个完整的供电区域。由于在电磁环境复杂的离心级联系统中，大功率中频电源装置采用大功率电力电子器件作为主回路，这些器件在工作过程中产生大量的热量无法使其自然降温，工程中常采用去离子冷却水对其进行降温处理，这要求电源在工作过程中不仅需要监控电压、电流、输出频率等电气参数，其次需对冷却水流量、水温等实时监测方可保证电源工作的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种离心机中频电源系统综合参数网络监控模块，以满足上述需求。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种离心机中频电源系统综合参数网络监控模块，包括：电源模块，为其他模块提供电源；模拟量采集模块，对工业现场模拟量信号进行采集；开关量采集模块，对工业现场的继电器信号进行采集；外部存储模块，用于存储故障录波所获得的数据；can通信模块，用于采集现场can节点设备的数据；485通信模块，用于上传现场can节点设备的数据。

所述的电源模块设计如下：选用金升阳vrb_4824ld-20wr2开关电源模块，将+48v转换为+24v进行输出，最大提供20w的输出功率，转换效率达87％；选用wra_4815s-1wr2开关电源芯片，将48v转换成+/-15v进行输出，最大输出1w的功率，转换效率达75％；选用wrb_4805s-3w2芯片，将+48v转换成+5v进行输出，最大提供600ma电流，转换效率达74％；选用低压差线性稳压器as1117芯片，将5v转换成3.3v进行输出。

所述的模拟量采集模块设计如下：采用stm32f103r8t6的内部ad对温度和流量信号进行采样量化，该传感器采用直流24v进行供电，将水温信息转换成电阻信号进行输出，流量信息转换成电流信号输出；当应用场合的温度变化范围为0～50℃，对应传感器输出电阻的变化范围为27.69k-4.167kω；针对温度流量传感器输出的电阻信号，设计电桥转换电路将传感器输出的电阻信号转换成电压信号，转换关系式为：u＝5×[r/(r+3.6)]-2.5，再采用运放将其进行转换，当没有接入温度传感器时，输出电压为2.5v；设备正常运行时温度为25℃，对应的电阻为10kω，此时电桥输出电压信号为1.18v；温度流量传感器将流量信号转换成直流电流进行输出，其输出电流范围为20～30ma，采用两级运放转换电路对传感器的输出电流信号进行转换，最后通过51ω的采样电阻将传感器输出的电流信号转换成电压信号，当水冷系统正常运行时，采样电阻上的电压为1～1.5v。

所述的开关量采集模块采用继电器，将所有开关量采集滤波后进行多级光电隔离。

所述的外部存储模块采用ad25df161的flash芯片。

所述的can通信模块设计如下：包括can总线收发器和can总线控制器，can总线收发器工作在can总线的物理层，用于将需要发送的二进制码流信号转换成差分信号输出，将接收到的差分信号转换成二进制码流进行读取，是连接can总线控制器和总线的桥梁，can总线收发器在发送过程中，执行收发对比、位填充、crc校验和应答监测操作；can总线控制器工作在can总线协议的数据链路层，用于生成帧，并将其以二进制码流的形式进行发送，can总线控制器在接收过程中，对收到的二进制码流进行解析，并执行去位填充，crc校验和发送应答操作；除此之外，can总线控制器还需要执行冲突判断和错误处理多项任务；选用广州致远公司的ctm1050tcan总线收发器，为其并联0.1μf和10μf两个去耦电容。

所述的485通信模块选用rsm3485cht模块实现电平的转换和隔离。

本发明所取得的有益效果为：

本发明主要应用于铀浓缩离心工程专用大功率中频电源供电监控领域，首次在电磁环境较复杂的离心工程现场使用，该技术的应用不但解决了现场设备电参数的集中监控，同时实现了功率器件冷却水流量参数的监控，实现了离心工程专用电气设备集中监控的目的和现场安全稳定运行的目的，相比单纯电参数网络监控来说，该技术的引用大大提升多种参数集中网络监控，对现场安全稳定运行具有重要意义，对其他领域的应用也有一定启发和帮助。本发明在监控电压电流的同时实现了中频电源系统水温度和流量的监测，为中频电源系统的安全运行提供了保障，具有很好的经济及社会效益。随着以后生产规模的不断扩大，大功率中频电源系统项目的不断增多，该发明所创造的经济效益将更加可观。一方面为后续的工程设计提供参考依据，另一方面为我国供电监测领域发展贡献力量。

本发明实现了各种电参数及冷却水流量和温度监测的同时，实现了相应的保护，有效的保障中频电源的安全运行；can转485的转换方案解决了工程现场设备底层通讯协议不统一的问题。本发明为公司节约投资200套×6000元/套＝120万元；每年元件维护平均成本相对其他节约200套×2500元/套＝50万元；本发明首次将冷却水、电气参数等几种参数集中监控和远传，并实现了相应保护功能，达到了集中控制的目的，对其他领域的开发和应用将带来一定的价值。

本发明目前已经在中核兰州铀浓缩有限公司的三期工程投入使用，运行效果良好，数据采集及传输稳定，具有一定推广价值，其次该装置的成功应用将对其他领域综合参数传输与监控提供一定应用价值和指导。

附图说明

图1为综合参数网络监控模块电路结构图；

图2为综合参数网络监控模块供电结构图；

图3为主程序流程图；

图4为监测模块485通讯流程图；

图5为主现场设备can通讯程序图；

图6为从现场设备can通讯程序图；

图7为协议转换器can通讯程序图；

图8为外部存储器存储空间分配图；

图9为故障存储软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

(1)综合参数网络监控模块与中频供电系统的联系

在整个中频电源系统当中需要实时远传参数包括：中频电源输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、冷却水温度及流量；区段供电柜输出电压、输出电流、冷却水温度及流量，对于如此多的信号量，一般监控模块很难实现该部分信号的监控和区分，特别对中频信号的准确性和实时性对整个铀浓缩系统来说具有重要意义。

由于工程现场电磁环境复杂，设备自身功率器件易产生大量谐波，对保护造成极大干扰，而且不能直观反映冷却水的状态。为了能准确实现冷却保护功能，且可将中频电源及区段柜各类电气参数直观反映至中控室，从而实现网络集中监控的目的，设计一种综合参数网络监控模块，其具有较强的电磁兼容性和完善的系统结构设计，采用本发明投资最小，是已运行铀浓缩行业监控及保护实施最直接的方法，且可确保中频电源系统的稳定运行和可靠工作。

(2)模块硬件电路设计

模块整体电路结构设计如图1所示。

监控模块除了需要完成can到485的协议转换外，还需完成对水冷系统温度和流量的测量，现场开关量信号的采集以及现场大型电气设备故障数据的存储等功能。采用模块化思想对硬件电路进行设计，根据硬件电路所需实现的功能，将其设计为六个功能子模块：电源模块：为硬件电路各单元模块提供电源；模拟量采集模块：对工业现场模拟量信号进行采集；开关量模块：对工业现场的继电器信号进行采集；外部存储模块：用于存储故障录波所获得的数据；can通信模块：用于采集现场can节点设备的数据；485通信模块：现场can节点设备的数据通过485通讯接口进行上传。

主控制器的设计：

控制芯片的性能，决定着底层硬件系统的性能。伴随着集成电路技术的发展，市面上出现了许多性价比非常高的微控制器，如何选择一款合适的微控制器是一项非常艰巨的任务。本发明从系统功能需求出发，统计微控制器需要的外设类型和接口数量，完成对微控制器芯片的选型，设计中使用的控制器需要具备以下外设和接口：

1)ad转换器：用于对温度和流量等模拟信号进行采样量化。

2)can通讯接口：硬件系统通过该接口采集现场中频设备控制器can节点的数据，从而完成相关数据传输及保护实施；

3)485接口：为和现场综合通讯匹配，硬件系统需通过该通讯接口上传采集得到的现场数据；

4)spi接口：扩展外部存储器，实现故障录波功能。

综合考虑市面上主流的微控制器，最终选用意法公司的stm32f103r8t6型号的微控制器。该控制器具备2个12位的adc模块，共计16路ad采样通道，同时还具有3路usart通信接口、一路can通信接口，一路spi接口和多路可配置数字io口。其中usart通信口可通过电平转换配置成232或485通信口。

电源模块的设计：

工业现场仅提供一个+48v的直流开关电源。由于底层硬件系统正常工作时需要+24v、+/-15v、+5v和+3.3v等多路电源，所以需要对输入的+48v电源进行电平转换。进行电源设计时，主要考虑电源芯片的转换效率，纹波和功率等问题。硬件系统中的+24v电源主要用于对温度流量传感器进行供电，参考温度流量传感器的数据手册，其最大供电电流为100ma，则+24v电源所需功率p24＝24×0.1×4＝9.6w。温度流量传感器对电源纹波要求不高，为提高电源转换效率，最终选用金升阳vrb_4824ld-20wr2开关电源模块。该电源芯片将+48v转换为+24v进行输出，最大可提供20w的输出功率，转换效率达87％。电路中+/-15v全部用于运放供电，所需功率相对较小，设计时选用wra_4815s-1wr2开关电源芯片。该芯片将48v转换成+/-15v进行输出，最大能输出1w的功率，转换效率达75％。

该硬件系统中所有的数字逻辑电路都是基于5v和3.3v的。其中，温度信号的采样调理电路通过+5v供电，该电路大概需要7ma的电流。考虑系统中数字芯片供电，其中ctm1050t和rsm3485cht比较耗电，分别需要45～60ma和40～100ma的电流。作为电源指示和运行指示的发光二极管需要15ma电流。经计算5v电源至少需提供180ma电流，最终选用wrb_4805s-3w2，该芯片将+48v转换成+5v进行输出，最大可提供600ma电流，转换效率达74％。

stm32f103微控制器对电源纹波要求较高，选用低压差线性稳压器as1117对5v电源进行降压转换。该芯片将5v转换成3.3v后对控制器进行供电。此芯片转换效率较低，但纹波较小。

硬件系统的电源转换关系及供电关系如图2所示。在进行电源设计时还添加防反二极管和保险丝等辅助器件。

模拟量采集模块的设计：

模拟量采集主要针对水冷系统的温度和流量，选用温度流量传感器对其进行转换。该传感器采用直流24v进行供电，将水温信息转换成电阻信号进行输出，流量信息转换成电流信号输出。为节约成本，采用stm32f103r8t6的内部ad对温度和流量信号进行采样量化。因为stm32f103的内部ad的输入信号和范围为0～3.3v的电压信号，所以设计需要相应的转换电路对传感器的输出信号进行转换。

当应用场合的温度变化范围为0～50℃，对应传感器输出电阻的变化范围为27.69k-4.167kω。针对温度流量传感器输出的电阻信号，设计一种电桥转换电路将传感器输出的电阻信号转换成电压信号，转换关系式为：u＝5×[r/(r+3.6)]-2.5，再采用运放将其进行转换，当没有接入温度传感器时，输出电压为2.5v。设备正常运行时温度为25℃左右，对应的电阻为10kω，此时电桥输出电压信号为1.18v。

温度流量传感器将流量信号转换成直流电流进行输出，根据水冷系统的流量大小，其输出电流范围为20～30ma，采用两级运放转换电路对传感器的输出电流信号进行转换，最后通过51ω的采样电阻将传感器输出的电流信号转换成电压信号。当水冷系统正常运行时，采样电阻上的电压为1～1.5v。

开关量采集模块的设计：

现场中频供电系统反映其供电关系等开关量均采用继电器来完成，由于该部分继电器传送信号均采用弱电来实现，在电磁环境复杂的现场对该信号干扰较大，设计过程将所有开关量采集滤波后进行多级光电隔离，有效避免了信号干扰和传输误差。

外部存储模块的设计：

为实现中频供电系统的故障录波等功能，现场设备通过硬件接口扩展了外部ram，该外部存储器用于保存电气设备的实时数据。由于ram存储器的数据在系统掉电后容易丢失，所以在实际使用时经常会出现故障数据丢失问题。为解决该问题，现通过扩展外部flash对电气设备的故障数据进行存储。stm32f103r8t6微控制器通过spi接口与外部flash进行连接，本发明采用了ad25df161的flash芯片为外部存储电路。

can通讯接口的设计：

can总线的接口电路由can总线收发器和can总线控制器组成。其中can总线收发器工作在can总线的物理层，用于将需要发送的二进制码流信号转换成差分信号输出，将接收到的差分信号转换成二进制码流进行读取，是连接can控制器和总线的桥梁。can总线收发器在发送过程中，执行收发对比、位填充、crc校验和应答监测等操作。can总线控制器工作在can总线协议的数据链路层，用于生成帧，并将其以二进制码流的形式进行发送；can总线控制器在接收过程中，对收到的二进制码流进行解析，并执行去位填充，crc校验和发送应答等多项操作；除此之外，can总线控制器还需要执行冲突判断和错误处理等多项任务。

由于stm32f103r8t6微控制器内部集成了can控制器，本发明中can接口电路的设计采用微控制器带片内can控制器方式来实现，采用该方式具有电路简单和pcb板面积小等优点。

can总线收发器性能对can接口电路的性能影响非常大。本发明中选用广州致远公司的ctm1050tcan总线收发器。该总线收发器采用3.3v供电，为消除电路之间的耦合，考虑到收发器功率较大，设计时为其并联0.1μf和10μf两个去耦电容，去耦电容在pcb布线时尽量贴近芯片电源引脚。ctm1050t总线收发器采用全灌封工艺，内部集成can-bus所必须的收发电路、电气隔离电路以及电源隔离等其他电路。芯片支持最大达1mbps的通讯速率。具备电磁辐射低，抗电磁干扰特性好和温度特性好等特点，完全满足工业级产品的技术要求。该芯片内部还集成了瞬态抑制二极管(tvs)，用于防止总线电压过高。在can总线接口电路设计时，还做了如下电路细节设计：

1)控制器和总线收发器之间进行电气隔离；

2)芯片的电源引脚与地之间添加去耦合电容；

3)光电隔离器件两端所用电源必须进行dc/dc隔离，否则会导致在电磁环境复杂的离心级联大厅影响后端电路的稳定工作；

4)在can_h，can_l与地之间添加30pf电容减小电磁辐射和滤除高频干扰。

485接口模块的设计：

由于现场普遍采用485通讯方式的接口电路，为使该模块与现场通讯方式有机结合，借助stm32f013r8t6微控制器内部集成的usart通信接口，通过专用的芯片转换成232或者485通信接口。本发明中选用rsm3485cht模块实现电平的转换和隔离。

(3)软件设计

综合参数网络监控模块软件主要完成现场can节点数据的采集以及上传，中频供电系统故障录波等功能。主循环的执行周期为100μs，该周期信号通过内部定时器中断产生，为保证主程序的稳定运行，要求主循环内部代码必须在100μs内执行完成，对于一些比较耗时的操作，需要将其分散在多个周期内执行。主程序流程如图3所示。

控制器上电复位后，软件跳到主程序执行，主程序首先对各硬件模块进行初始化和配置，然后软件进入主循环，调用各个模块的功能函数，完成相应的功能。控制器软件主要包括：温度流量测量软件、can通讯软件、485通讯软件和数据存储软件。

485通讯软件设计：

为保证现场通讯协议等一致性，硬件系统与监控设备采用485总线进行通讯，通讯协议选用modbus协议。监控设备作为主机，通过现场485总线向模块硬件系统发送读写指令及数据，硬件系统作为从机，通过485总线向监控设备发送响应指令及数据。

硬件系统的主程序采用周期循环的方式执行。其485通讯程序仅作为一个功能函数在主循环中被调用。在485通讯程序中，硬件系统将采集得到的现场数据上传给监控设备。因为数据量较大，在主程序的一个执行周期内，无法完成所有数据的传输，而且stm32f103r8t6的usart模块没有相应的发送和接收fifo。为提高数据传输效率，硬件系统采用dma对数据传输进行控制。在数据传输时，控制器只需启动dma控制器，并对相应的标志位进行查询，判断传输是否完成。系统的485通讯程序流程如图4所示。

can通讯软件设计：

设计中can协议以现场某供电区域一台中频设备作为can网络主机，该区域其余作为从机。can网络中所有的数据通讯都由主机发起，其余的设备只有接受到主机的数据请求后，才能开始数据传输活动，但是本协议不同于常规的主从模式，即主机不用接受从设备的响应数据，从设备的数据的响应数据由协议转换器进行接收，主机作为一个现场设备同样需要向协议转换器发送数据。协议转换器在接收到一个设备的完整数据后，向主机发送响应数据，主机接到该响应数据后，开始下一次数据传输，各设备的主要功能及程序如下：

主设备作为网络中的主机控制着整个网络的数据传输，网络中的任何一次数据传输活动都由主设备发起。同时主机还要肩负起防止网络死锁等功能。主机的流程图如图5所示。

对于其他现场设备，主要任务是接收主机的数据请求，同时向协议转换器发送数据。除此之外，其他现场设备还应限制自身的发送时间，如果在规定时间内数据没有发送成功，则停止数据的发送，防止与总线上其他节点产生冲突。从现场设备的can通讯程序流程如图6所示。

协议转换器的主要功能是实现对现场设备的数据采集，在can网络中协议转换器作为一个监控设备用于接收各现场设备的实时数据，同时向主机发送响应数据。程序流程如图7所示。

故障录波软件设计：

本发明中中频电源系统是由四套中频电源设备所组成的一个小系统，所以该系统发生故障时，需要对四套中频电源设备故障前的电压和电流瞬时值进行保存。将flash的存储空间分成四部分，每部分大小为4mbit，分别用于存储四台电气设备的故障数据。

对电气设备所需存储的数据进行统计，得知每台小型电气设备各包含6个瞬时值参数，其中每个瞬时值包含32bit数据。同时用户要求系统能够存储十组历史故障数据。每台设备存储一次故障数据所需要的存储空间大小为6×32×128＝24576bit，其中的128为模拟量的点数。该存储量远小于所分配的4mbit的存储空间。但考虑到系统后续升级的需要，对故障数据进行存储时不采用连续存储的方式，而是采用一个扇区存储单个模拟量的一组数据的存储方案。在分配存储空间时，为设备每次故障的一个模拟量分配一个flash扇区，一个扇区包含4kbyte即32kbit的存储空间，而一个模拟量所需的存储空间大小为32×128＝4096bit，该存储空间完全满足存储要求。扇区中的剩余空间用于后续对存储模拟量的点数进行扩展。4mbit的存储空间一共包含4mbit/32kbit＝128个扇区，设备存储一次故障信息所需的存储空间大小为6个扇区，加上一个用于存储故障时间的扇区一共7个，则存储十组故障数据需要十一组存储空间，所以在此考虑为每组故障数据分配11个扇区，除了用于存储故障数据和时间信息的7个扇区外，其他4个扇区用于模拟量个数的扩展。设备存储空间分配如图8所示。

该部分软件采用一种周期循环的执行方式，为保证系统的稳定运行，要求主循环内的程序能够在100us内执行完成，对于一些比较耗时操作需要将其分散在多个周期进行执行。对于故障录波数据的存入不可能在一个周期内完成，而stm32f103r8t6的spi接口没有集成相应的发送或接收fifo，所以此处采用dma控制器对flash的数据读写进行控制。故障数据存储程序流程如图9所示。

该发明中提出了一种通过在协议转换器中使用三块同样大小的存储区域的实现应用层协议转换的方案。在该发明中，第一块区域用于存储a网络发送过来的数据，当a网络发送的数据全部接受完成后，再将该数据转入到第二块存储区域，当b网络请求读取数据时，首先将第二块存储区域的值复制到第三块存储区域，然后进行读取，这样保证第二块和第三块区域中的数据都是完整的。通过上述方案很好地将数据的接收与发送进行隔离，解决了通讯中数据不完整的问题。