電鍍用開關電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用
近幾年來，開關電源技術得到了迅猛發(fā)展，對開關電源的智能化要求也越來越高。開關電源監(jiān)控系統(tǒng)作為實現(xiàn)開關電源系統(tǒng)智能化要求的一部分，也越來越得到廣泛的應用。
開關電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是通過電源與計算機的通信模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換，接收監(jiān)控中心的各種監(jiān)測與遙控命令，并將電源的各種狀態(tài)信息反饋給監(jiān)控中心。監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊的設計是組建開關電源監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵所在，該系統(tǒng)中所設計的監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊與計算機通信的主要特點是實現(xiàn)了計算機與電源的主從總線1∶N通信方式，并且采用了MAX232和RS485雙串行通信總線標準接口。
本文所介紹的開關電源監(jiān)控系統(tǒng)實際應用于對作者自行研制的多臺12V 5000A電鍍用開關電源進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了由一臺計算機對多臺電鍍電源的遠程監(jiān)測與遙控。
1.監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊設計
為了組建開關電源監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每臺電源配置了一個獨立的監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊。監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊采用的控制芯片是MCS51系列單片機80C52。80C52具有8k的內(nèi)部ROM和256字節(jié)的內(nèi)部RAM。監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊電路結(jié)構圖如圖1所示。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊
計算機通過該通信模塊可以實時讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及輸出過壓、輸入過壓、輸入欠壓、過流、過熱、運行/停止等8路開關量的狀態(tài)值，并可以在輸出值允許的范圍內(nèi)任意設置電源的輸出電壓、輸出電流值和復位、合閘、分閘、機控/本控4路開關量的狀態(tài)值。從監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊電路結(jié)構示意圖可以看出，如果計算機需要讀取電源模塊的輸出電壓、輸出電流值和開關量的狀態(tài)時，單片機收到請求命令后啟動A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX182對電源的輸出電壓、輸出電流兩路模擬量進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。同時表征電源運行狀態(tài)的8路開關量從雙總線收發(fā)器74LS245讀入送至單片機寄存器存貯。單片機將所有處理后的數(shù)據(jù)按預定數(shù)據(jù)傳送格式發(fā)送給計算機輸出顯示。計算機需要設置電源的輸出電壓、輸出電流值和4路開關量的狀態(tài)時，計算機將設置好的數(shù)據(jù)按預定格式發(fā)送給單片機。單片機接收處理后啟動D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX532和輸出鎖存器74LS573將處理后的輸出電壓、輸出電流值和開關量狀態(tài)值輸出給電源。監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊從而實現(xiàn)了計算機對電源的實時監(jiān)控。為了保證設計人員的安全和防止通信模塊受電源影響而損壞，電源與通信模塊之間的信號傳遞均通過光耦隔離。
為了確保電源與計算機在不同應用場合的準確通信，該監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊采用了RS232C和RS485雙串行通信總線標準接口。RS232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的、在異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場合。其邏輯電平對地是對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為＋5V～＋15V之間，邏輯1電平為－5V～－15V之間，模塊中采用了MAX232驅(qū)動芯片進行電平轉(zhuǎn)換。RS232C標準接口的主要缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短，抗干擾能力差。模塊配備RS232C標準接口使得任何含有串行通信口的計算機均可以實現(xiàn)和電源的通信具有廣泛的適應性。RS485標準接口為差分驅(qū)動結(jié)構，它通過傳輸線驅(qū)動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞。RS485具有傳輸速率快、傳送距離長、抗干擾能力強等優(yōu)點，模塊中采用了MAX485驅(qū)動芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX485輸出的差分信號需經(jīng)RS232與RS485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后才能送至計算機，所以所有使用RS485與電源進行通信的計算機必須安裝232/485轉(zhuǎn)換接口卡。本模塊配備的RS485通信總線標準接口使得監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊可以適用于環(huán)境干擾比較大的工業(yè)現(xiàn)場的長距離通信。
2.監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議設計
開關電源監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)一臺計算機對多臺電源的實時監(jiān)控，必須制定準確的通信協(xié)議。通信協(xié)議是通信雙方為實現(xiàn)正常通信所作的約定，所制定的規(guī)則。兩進程要相互通信，就必須遵守這些約定規(guī)則。該監(jiān)控系統(tǒng)設定的通信協(xié)議優(yōu)點是實現(xiàn)了一臺計算機可以同時監(jiān)控多臺電源的主從總線1∶N通信方式。在總線結(jié)構上有一個主站、即計算機，N個電源做為總線結(jié)構上的從站。
主從總線1∶N通信方式可以采用多種通信協(xié)議實現(xiàn)總線使用權的分配，本系統(tǒng)中使用的地址查詢方式，主從總線1∶N通信方式的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構示意圖如圖2所示。
系統(tǒng)給每個電源分配唯一的一個地址號，計算機分配一個固定的地址號。當計算機需要和某臺電源建立通信時，計算機發(fā)出一個含有該電源地址號的請求命令包。掛在總線上的所有電源一直處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，計算機所發(fā)出的請求命令包將被所有的電源所接收。每個電源將接收到的請求命令包中所包含的電源地址號與本模塊的地址號相比較，只有地址號與計算機所發(fā)出的請求命令包中所包含的地址號相同的電源才與計算機建立通信，響應計算機所發(fā)出的請求命令。其它地址號不相同的電源將拒絕響應計算機的請求命令，繼續(xù)保持接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，等待響應計算機發(fā)出的下一個請求命令包。系統(tǒng)中的這種地址查詢方式實現(xiàn)了任何時候總線上最多只有一臺電源與計算機通信，其它電源處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而有效地避免了總線使用權的沖突。
電鍍行業(yè)屬重污高耗企業(yè)，盡管自去年10月以來，浙江已關停110家電鍍企業(yè)，但在剛剛結(jié)束的浙江省重污染高耗能行業(yè)提升整治工作會上，浙江省環(huán)保廳廳長徐震仍對電鍍行業(yè)整治提出批評：整治進度落后、規(guī)范執(zhí)行不到位。因電鍍園區(qū)建設問題，徐震還對金華進行了點名批評。
徐震介紹，浙江電鍍行業(yè)共有注冊企業(yè)1541家，其中溫州就有601家，寧波225家，而杭州、嘉興、臺州等地電鍍企業(yè)數(shù)量也均超過百家。
環(huán)保部門在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分電鍍企業(yè)存在排放強酸性電鍍廢水現(xiàn)象，而這些廢水中含有的銅、鎳、鉻等重金屬，可引發(fā)急性或慢性中毒，損傷皮膚、血液、神經(jīng)中樞。
去年10月，浙江召開重污染高耗能行業(yè)整治現(xiàn)場會，確定對電鍍企業(yè)關停184家、整治提升600家、搬遷入園757家目標，并計劃新建電鍍園區(qū)27個。
截至2012年6月底，已有110家企業(yè)關停，已建成電鍍園區(qū)10個，已有289家企業(yè)搬入園區(qū)，已有400家企業(yè)整治提升，共取締無證無照企業(yè)452家。
但在浙江省環(huán)保廳廳長徐震看來，目前對電鍍企業(yè)整治的進度明顯滯后�！叭∮媱濌P停的184家企業(yè)中，仍有74家未關掉；計劃整治提升的600家企業(yè)，僅完成400家，而且大部分尚未完成驗收�！�
據(jù)了解，按浙江省去年確定的電鍍行業(yè)整治提升方案，今年6月底前所有電鍍企業(yè)要按統(tǒng)一標準完成整治驗收，對尚未達到整治要求的企業(yè)必須依法予以關停電鍍行業(yè)整治提升方案。
而整治規(guī)范執(zhí)行的問題也讓這位環(huán)保廳長頗為頭疼。
徐震說，目前對電鍍行業(yè)的整治存在“避重就輕，沒有動真格”、“對標桿企業(yè)認定標準過低”等問題�！霸卣味�、低小散企業(yè)關停少，搬遷入園企業(yè)更少，該關停的沒有關停，該搬遷的沒有搬遷，特別是電鍍園區(qū)建設未得到應有重視�！�
他直言，一些地方園區(qū)外原地整治提升的所謂標桿式企業(yè)根本沒有先進性可言，有些企業(yè)生產(chǎn)設施簡陋，臟亂差嚴重，對屬于國家排放標準中的“一類污染物”未進行分質(zhì)處理，有些還緊鄰居民區(qū)，不可能達到整治標準要求，環(huán)境隱患很大。
徐震還對有137家在冊電鍍企業(yè)的金華市進行了點名批評。“金華市電鍍企業(yè)眾多，但僅有的2個園區(qū)建設任務，至今沒有完成，原地整治提升企業(yè)通過驗收比例也不高�！�
目前，浙江省環(huán)保廳已提出“七個一律”要求，要求“浙江各地必須嚴格按照標準和規(guī)程進行驗收，絕不以降低要求換進度”。
年底前，浙江環(huán)保部門要以電鍍園區(qū)外的電鍍企業(yè)為重點，進行一次全面的執(zhí)法檢查。
浙江省副省長陳加元認為，電鍍行業(yè)整治也應獎懲結(jié)合。相關部門應始終保持打擊環(huán)境違法行為的高壓態(tài)勢，“要敢于碰硬，對違法企業(yè)絕不姑息遷就。”另一方面，對就地關閉轉(zhuǎn)產(chǎn)的企業(yè)，地方財政要通過“以獎代補”的方式給予適當獎勵。
記者了解到，除電鍍行業(yè)外，浙江還將繼續(xù)推進印染、造紙、制革、化工四個行業(yè)的整治提升。目前，相關整治提升實施方案已經(jīng)出臺。
今年3—5月，浙江已對電鍍、印染行業(yè)開展排查整治，責令限期整改企業(yè)616家，責令停產(chǎn)整治企業(yè)65家，關閉企業(yè)10家，移送公安機關處理6人。
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