王洪濤，周紅蓮，曹 茜，廖孟柯，王 斌，胡志云

（國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的重要元素之一，通信電源監(jiān)控的有效性，是整個(gè)通信系統(tǒng)有效運(yùn)行的基本保證，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)在通信中發(fā)揮著巨大的作用，一旦其工作不正常，通信系統(tǒng)就有可能會(huì)發(fā)生故障，帶來不良影響以及經(jīng)濟(jì)損失。因此，保證通信電源監(jiān)控系統(tǒng)維穩(wěn)運(yùn)行成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，電源監(jiān)控模塊的啟動(dòng)電流與輸出電壓的不穩(wěn)定以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)度的不足，導(dǎo)致通信電源監(jiān)控系統(tǒng)性能不佳，為此，基于改進(jìn)PID算法下，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集控制器及其控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)通信電源監(jiān)控前，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，主要是針對(duì)控制電路中的各器件的電壓及其溫度，也包括周邊溫度、環(huán)境濕度以及基準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和測(cè)量，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證各數(shù)值在合理范圍內(nèi)。在硬件設(shè)計(jì)上為保證數(shù)據(jù)收集的精準(zhǔn)，在電路中安裝數(shù)據(jù)采集控制器。

圖1 數(shù)據(jù)采集控制電路圖

2.2 CAN通信接口電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集完成之后，需要通過通信接口電路來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。在實(shí)現(xiàn)過程中一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況，就很容易受到干擾，進(jìn)而造成監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。選擇采用CAN總線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信總線進(jìn)行通信，在CPU外部擴(kuò)展CAN控制器SJA1203和CNA總線收發(fā)器PCA82A50實(shí)現(xiàn)本監(jiān)控系統(tǒng)的通信硬件電路。圖2為CAN通信接口電路設(shè)計(jì)。

圖2 CAN通信接口電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，光藕的負(fù)載電阻，及其延遲時(shí)間具有以下關(guān)系：R102的變化范圍為0.8 K-10.8 K，其中，下降沿的延遲通常不超過0.23 us，小于100 ns，而上升沿的延遲的變化通常在1.3 us左右（為23 mA），至此完成整個(gè)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

3 基于改進(jìn)PID算法的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 確定通信電源監(jiān)控范圍

在實(shí)現(xiàn)通信電源監(jiān)控時(shí)，首先要確定其監(jiān)控范圍。考慮到確定監(jiān)控范圍時(shí)，會(huì)受到靜差影響，因此利用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行積分，以此對(duì)靜差進(jìn)行消除處理，提高監(jiān)控范圍的精度。系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是，偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無，在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。通過對(duì)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的測(cè)量值，以及設(shè)定值的偏差大小，對(duì)PID算法中積分項(xiàng)的累加速度進(jìn)行提高。

變速積分表達(dá)式為：

3.2 實(shí)現(xiàn)通信電源監(jiān)控及告警處理

確定完通信電源監(jiān)控范圍后，開始實(shí)施監(jiān)控，首先，給臺(tái)墊回路加電，在MCU的控制下，信號(hào)經(jīng)過CAN通信接口電路隔離放大之后運(yùn)送給，再由MCU讀取的數(shù)據(jù)信息，判斷電阻是否在正常范圍。最終通信電源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在得出結(jié)果后，分別會(huì)對(duì)應(yīng)電阻高、電阻正常、電阻低這三種結(jié)果。接下來將結(jié)果傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)并識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)再繼續(xù)傳遞給PID，PID對(duì)獲取到所有數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果進(jìn)行解析，解析成功后，如果其結(jié)果是安全狀態(tài)，就繼續(xù)將這些數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中去，進(jìn)行記錄，但如果一旦出現(xiàn)異常，就會(huì)將此信息傳遞到告警控制器，進(jìn)行告警處理。在積分作用下告警控制器的輸出會(huì)不斷累加，達(dá)到積分飽和后，就容易出現(xiàn)告警信息失真，造成通信電源監(jiān)控系統(tǒng)失效，在計(jì)算u（k）時(shí)，引入微分信號(hào)，即要先對(duì)上一時(shí)間段的告警控制量進(jìn)行判斷。

在告警控制中引入微分信號(hào)，雖然可以在一定程度上防止系統(tǒng)積分飽和，但也容易造成高頻干擾。為解決此問題，將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上。其表達(dá)式為：

4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過搭建測(cè)試電路平臺(tái)及軟件校準(zhǔn)，測(cè)試采樣通道精度。實(shí)驗(yàn)選用雙路輸出（輸出0～30 V）可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、多功能校驗(yàn)儀及監(jiān)控單元。測(cè)試分為實(shí)驗(yàn)組和兩組對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組為本文設(shè)計(jì)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)照組為傳統(tǒng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)對(duì)通信電源監(jiān)控性能進(jìn)行測(cè)試，包括通信電源動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)精準(zhǔn)度測(cè)試。

4.2 通信電源監(jiān)控穩(wěn)定性測(cè)試

在電源監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)，需要保證啟動(dòng)監(jiān)控電流與輸出監(jiān)控電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對(duì)通信電源監(jiān)控穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。此次試驗(yàn)中，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的電源監(jiān)控模塊開關(guān)機(jī)無過沖，啟動(dòng)沖擊電流值，不超過最大沖擊電流有效值的1.2倍。

通過示波器，將開關(guān)機(jī)監(jiān)控過沖幅度，及啟動(dòng)監(jiān)控沖擊電流波形展開后，實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組電源監(jiān)控模塊的的開機(jī)監(jiān)控過沖幅度以及啟動(dòng)監(jiān)控沖擊電流波形如圖3所示。

圖3 開機(jī)過沖幅度及啟動(dòng)沖擊電流波形

從圖3可以看出，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，電源監(jiān)控模塊的啟動(dòng)監(jiān)控電流與輸出監(jiān)控電壓基本無沖擊，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，顯然較不穩(wěn)定。

4.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)精準(zhǔn)度測(cè)試

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試完成后，為保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有效，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)精準(zhǔn)度進(jìn)行測(cè)試。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

第一步：將單個(gè)穩(wěn)壓電源的兩路輸出串聯(lián)，第一臺(tái)的輸出調(diào)到36 V給監(jiān)控單元供電，將第二臺(tái)的輸出作為被測(cè)信號(hào)接入監(jiān)控單元電壓采樣輸入端。將計(jì)算機(jī)的COM1口通過電纜與監(jiān)控的RS212連接。

第二步：將第二臺(tái)穩(wěn)壓電源電壓源輸出調(diào)節(jié)到32 V左右，使用萬用表測(cè)量電壓，通過COM1計(jì)算機(jī)口及后臺(tái)調(diào)試軟件啟動(dòng)該通道校準(zhǔn)，并將實(shí)際測(cè)量作為基準(zhǔn)下發(fā)給監(jiān)控單元，監(jiān)控單元將自動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)并保存。

第三步：調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出范圍0～70 V，為排除偶然性，用萬用表對(duì)實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行多次測(cè)量取平均值，并讀取監(jiān)控單元對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。

第四步：記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)測(cè)量，實(shí)際電壓值在37.50 V，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量值為37.51 V，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的測(cè)量值分別為37.56 V和37.59 V，根據(jù)母排電壓采集電路監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)，母排電壓采集電路工作正常，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)測(cè)試最大誤差分別0.06 V、0.09 V，而在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)下，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)測(cè)試最大誤差為0.01 V，滿足設(shè)計(jì)的需求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)PID算法的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)據(jù)采集控制器并對(duì)其控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以CAN總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信總線，完成通信電源接口設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)中，利用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行積分，設(shè)計(jì)通信電源監(jiān)控告警處理。為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的有效性，作出實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在監(jiān)控性能上，更具有優(yōu)勢(shì)。