武文平 馮西政

(1.保定電力職業(yè)技術(shù)學院,河北保定 071051;2.保定中恒電氣有限公司,河北保定 071051)

基于ARM9-LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

武文平1馮西政2

(1.保定電力職業(yè)技術(shù)學院,河北保定 071051;2.保定中恒電氣有限公司,河北保定 071051)

針對變電站供電系統(tǒng)中蓄電池性能變化趨勢監(jiān)測問題,介紹了ARM9-LEM傳感器應用于蓄電池在線監(jiān)測平臺的軟硬件設(shè)計方案,試驗證明可以快速有效地檢測出早期失效電池并預測蓄電池性能變化趨勢,提高檢測可靠性。

傳感器 蓄電池在線監(jiān)測 運行方式

1 概述

蓄電池作為備用電源在供電系統(tǒng)中往往起著極其重要的作用，在交流電失電或其它事故狀態(tài)下蓄電池組一旦出現(xiàn)問題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設(shè)備停運及其它重大運行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡稱閥控蓄電池)的廣泛使用，加之使用環(huán)境及條件欠佳，因蓄電池提前失效而引發(fā)的事故時有發(fā)生。如何快捷有效地檢測出早期失效電池并預測蓄電池性能變化趨勢已成為電池運行管理的新課題。隨著技術(shù)的發(fā)展，蓄電池在線監(jiān)測這一新檢測技術(shù)開始逐步得到運用。

ARM9-LEM傳感器是專門為應用于蓄電池在線監(jiān)測而做的蓄電池傳感器。該傳感器每只模塊監(jiān)測一塊蓄電池，模塊采用四線制設(shè)計，通過與蓄電池的正負極相連實現(xiàn)供電和測量，然后通過RJ11接口(電話線接口)實現(xiàn)至多254個模塊的相連，經(jīng)由開放的串口協(xié)議通訊實現(xiàn)對整個蓄電池組的監(jiān)測。該傳感器可以直接測量單體蓄電池的阻抗、電壓和表面溫度(模塊貼在電池表面)等。

2 蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺的構(gòu)成

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)一方面需要完成在工業(yè)現(xiàn)場如變電站，數(shù)據(jù)中心等場合蓄電池參數(shù)的人機交互，方便用戶在現(xiàn)場時觀測蓄電池組整體電壓，電流以及各單體電池的阻抗，電壓和溫度；另一方面需要提供網(wǎng)絡(luò)接口，使用戶在遠端如中央控制室能夠及時了解現(xiàn)場的情況；最后需增加GSM接口，一旦發(fā)生故障，可以用發(fā)短信或者打電話的方式通知到值班人員。因此有必要設(shè)計一臺現(xiàn)場監(jiān)測主機完成以上功能，與ARM9-LEM傳感器sentinel模塊相配實現(xiàn)整個蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建。

(1)鑒于sentinel模塊的獨特設(shè)計，可以直接對蓄電池阻抗進行測試，因此系統(tǒng)毋須安裝單獨的放電模塊。

(2)由于sentinel模塊需要通過地址來識別，該地址是8位的，以上連接最多實現(xiàn)254塊蓄電池的連接，對現(xiàn)場監(jiān)控提出的要求至少有帶有人機交互功能，網(wǎng)絡(luò)功能，GSM發(fā)射功能，sbus總線通訊的功能以及A/D轉(zhuǎn)換接口。

3 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測主機

主機實質(zhì)上是一個帶有人機交互界面的嵌入式系統(tǒng)。擬采用ARM9+操作系統(tǒng)的方式，選擇ATMEL公司的AT91SAM9261作為系統(tǒng)的主控CPU。

3.1 核心板部分設(shè)計

核心板的設(shè)計框圖如圖1：

說明：

圖1

圖2

(1)由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動的方式只能工作在溫度高于0℃低于70℃的范圍，一旦溫度低于0℃將無法啟動。為了解決這個問題，只能使ARM采用外部啟動即NOR FLASH啟動的方式，因此需要選擇啟動模式為外部啟動(BMS=0)，以達到工業(yè)現(xiàn)場的溫度要求。

(2)Norflash存儲器芯片選擇AMD公司的AM29LV160DB，其容量為4M*16bit，用于存儲BOOT程序，小型操作系統(tǒng)及小型應用程序。設(shè)計時采用字對齊方式，即芯片的A0地址線對應ARM芯片的A1地址線。

3.2 擴展板部分設(shè)計

擴展板的設(shè)計框圖如圖2：

(1) SPI flash芯片用于存儲蓄電池傳感器采得的數(shù)據(jù)。此處將芯片的寫保護腳使用ARM的一個I/O口管理起來，以防上電或者掉電時修改片內(nèi)的數(shù)據(jù)。

(2)GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊，與擴展接口(連向ARM新片)之間通過串口進行通訊，另外使用ARM的一個I/O口控制IGT管腳進行模塊的激活。為了保證模塊與SIM卡之間通訊正常，他們之間的走線距離要盡量短。

(3)網(wǎng)卡接口芯片采用DM9000，數(shù)據(jù)包通過它傳送至以太網(wǎng)直至上位機軟件。同時使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以實現(xiàn)遠程固件升級，保證主機運行最新的應用軟件。

(4)由于AT91SAM9261提供液晶數(shù)據(jù)接口，因此可以直接與LCD實現(xiàn)連接。

(5)觸摸屏接口芯片采用專用芯片ADS7843完成。

4 整機聯(lián)調(diào)

在變電站對該系統(tǒng)進行了實驗，使用2組蓄電池，每組分別有54節(jié)2v 300Ah的蓄電池：

編寫測試程序在系統(tǒng)內(nèi)運行，每隔半小時對各蓄電池模塊進行一次取數(shù)，然后將信息通過調(diào)試串口打印出來。下面為某次取數(shù)得到的結(jié)果：

以上每個電池的參數(shù)分別為電壓、溫度、阻抗。在未來的實際應用中，通過對這些參數(shù)的綜合分析，可以得知每只蓄電池的健康狀況；同時本實驗也驗證了該平臺可以應用于蓄電池在線監(jiān)測。

5 展望

基于ARM9-LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺不僅可以用于對蓄電池失效模型和監(jiān)測算法甚至電池活化技術(shù)的研究，配套監(jiān)測軟件可以應用于各種需要監(jiān)測蓄電池的實際場合，如電力、通信、石油、化工、鐵路、煤炭等行業(yè)的直流電源系統(tǒng)以及UPS系統(tǒng)的蓄電池在線監(jiān)測，為蓄電池提供更安全的保護。

[1]沈夢甜,陳宏.蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)在變電站的應用.中國電力通信網(wǎng).

[2]AT91SAM9261-EK Evaluation Board User Guide.

武文平(1967-),男,保定電力職業(yè)技術(shù)學院,研究方向：電力系統(tǒng)運行技術(shù)。

馮西政(1965-),男,保定中恒電氣有限公司,研究方向：蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)。