通信机房电力和温度检测的集散控制系统

许国泰 陈兵 王子玮

摘要：本文主要介绍了在通信机房中，检测压缩机电力和室内温度的集散控制系统。本文利用互感器和傅里叶算法监测空调压缩机电流和PT100监测各个机房的室温的控制系统，并通过网络集成到网页端，使用IE可以远程监控到整个机房的状态。

关键词：互感器；傅里叶算法；CAN BUS

中图分类号：TP331 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0004-03

通信机房除了需要满足空间、功能和工艺的需求之外，对于温度的要求是非常严格的。而对于控制温度，目前普遍采取空调降温的办法来控制整个通信机房的温度。而每个机房的设备的数量，体积与整个机房的面积和结构都是不同的，对于大型集中的通信机房的温度控制就相当迫切了。

对于温度的控制，首先源于对空调性能的监测和室内温度的监测。通过远程在线web模式观察和数据库的录入，就能对整个通信机房的环境进行整体把握。本文通过对每个机房的各个空调的电源火线的压缩机瞬间电流和常态电流进行监控，反映出空调工作状态。结合室内温度数据，通过CAN BUS总线传输到控制机房的主机上，进行对整个集散控制系统的搭建，加强了智能化和可靠性的需求，也使造价昂贵的设备得以可靠运行。

1 通信机房电力和温度检测的集散控制系统的系统设计

整个系统分为三块。第一块是每个机房内部的空调插座上安装的电力和温度测试盒，每一台空调都配备有这样一个盒子。第二块是控制机房里的主控盒子，他通过CAN BUS与每一块测试盒相连，接受每一个盒子的数据。第三块是PC主机，通过USB与主控盒相连，得到数据并上传WEB与录入本地数据库。

整个系统最核心的部分就是测试盒，测试盒自带电源线插入供电插座。而盒子上也会有一个插座，供空调的电源线插入。这样就可以形成空调的交流电源线经过测试盒来取电。而盒子内部会把电源的火线在盒子内部的电路板的互感器穿过。通过互感器就可以把交流信号取出，经过整流和放大转换成电压信号。在送到ADC芯片TLC3544，通过SPI口输入到处理器。处理器通过交流一周期16个点的高速采样和软件傅里葉计算后得到电流值暂存。在此期间，测试盒的温度检测通过PT100和放大电路对室内温度做采样，1分钟存储一次。控制盒会在每10分钟去请求测试盒的电流数据和温度数据，通过CAN BUS交互一次。交互后，测试盒会把上传的数据清零。另外，在测试盒中，本身会对压缩机电流、常态电流和温度进行数据比对，若有异常，会亮红色报警灯和蜂鸣器提醒。

控制盒在未得到PC端的USB请求时，会一直重复各个机房的数据请求操作，并把各机房的数据全部存入控制盒中的NANDFL ASH中。在PC每隔1段时间来请求数据时，上传数据，但是并不把数据清零，而是打上已读标记，留作备份。

PC在得到数据后，在本地数据库记录系统时间和数据内容。并定时刷新web后台数据。

如图1所示，本文的通信机房电力与温度检测集散控制系统测试盒图。

2 测试盒硬件模块设计

因整个系统的硬件部分主要集中在测试盒中，本章节主要介绍该部分内容。

2.1 电源电路

系统电源采用台湾明纬生产的SP_15_TA电源供电，该电源可以产生一路3.3V的稳压电源和两路±12V的高精度电源。处理器及数字器件的供电电压都为3.3V，而电流和温度检测所用的运算放大器需要正负电源。这款电源符合系统设计的需要。

2.2 处理器电路

处理器选用ATMEL生产的AT91SAM7S64工业级ARM7处理器。该处理器是32位RISC架构的高稳定性工业现场芯片，自带ADC处理模块和多个内部定时器中断，满足本系统的需求。

2.3 电流采样和放大电路

本系统电流采样传感器选用LAH 25NP进行电流采样。使用TLC3544进行信号采集。TLC3544是一个14位的AD转换器。如图2所示为传感器原理连接图。

其中电源供电±12V，我们在M这点连出输入到AD的模拟端口。传感器接线方式如表1所示。

因为在实际采样过程中，AD的量程在0-5V以内，故设极限值为25A，输出电流为25mA则Rm≈5/0.025=200R。选择标称电阻规格，200R（1/2W）1%采样电阻。在进入AD采样之前，需要进行桥式全波整流，以便转换成0-5V的信号。AD转换器使用14位AD芯片TLC3544。该芯片管脚图如图3所示。

模拟电源AVdd接入5V电源，数字电源接入3.3V电源。电流采样信号模拟输入接入A0口。输出为SPI接口方式。

2.4 温度采样和放大电路

本系统的温度采样通过PT100金属传感器进行采样，通过分压和放大送达处理器的ADC端，如图4所示的温度采样和放大电路所示。PT100为无源传感器，本身在0摄氏度时，内阻为100R，根据温度的变化，内阻会呈现线性的变化。故采用110R电阻分压后，经过差分放大电路，可以在14位ADC下，分辨率可以达到0.01摄氏度的温度变化。

2.5 CAN BUS

CAN BUS主要用来与主控制盒通信所用，CAN BUS属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：（1）网络各节点之间的数据通信实时性强。（2）节点足够多，方便组网。（3）有标准的协议栈，方便与其他系统扩展。

2.6 电力保护

本系统设计了浪涌（Surge）保护及对快速瞬变（EFT）的保护。另在电源入口增加了防雷电路，可以耐受浪涌耐压最低标准为AC1500V。在每个芯片电源入口处，增加了电源滤波器电路，进行对EFT的抵抗，使用耦合钳进行测试可以达到AC1500V，5KHz的测试标准。直流部分增加了三端滤波器进行滤波，在模拟部分增加了低通滤波器等滤波电气进行抗干扰措施，可以达到一般的工业标准的EMC要求。满足以上要求的前提为，对大地电阻须小于5欧姆，即必须可靠接地。

3 固件設计

3.1 交流采样算法

本设计中，最重要的固件环节就是通过傅里叶变换的交流采样算法。在本系统中，输入为50Hz的正弦波，假定原始数据为纯正弦量的理想采样值，实际上故障后电流含有各种暂态分量，数据采集系统还会引入各种误差，所以必需和数字滤波器配合使用。傅里叶算法本身具有滤波特性。不仅能够完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量，对非整次高频分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分量也有一定的抑制能力。但是如果不采取措施，在最严重的情况下，由非周期分量造成的傅氏算法的计算误差可能大于10%。

利用傅里叶变换，对每周波采样点数为N的离散采样系统，n次谐波电压（或电流）的有效值、实部有效值和虚部有效值和相位分别为：

傅氏算法需要的数据窗长度就等于滤波器数据窗的长度（20ms），然后一个周期内取16个采样点，这样既有滤波特性，又可以避免数据失真，这是它的很明显的优点。

本系统采用处理器自带的10位ADC，而定时器中断的时间设置为1.25ms，对于傅里叶交流采样算法都极为合适。

3.2 温度采样算法

本设计中，温度的定位较为繁琐，在系统首次使用时，需要对PT100传感器进行零点定位。即在冰水中测得一个温度0℃时对应的AD值，然后在近沸水95℃时测得一个值，根据这两个值，算得本传感器的斜率k和基础值b。即Y=kX+b。通过主控制器把这两个值输入到处理器，存入片内flash，上电后自动调用。本传感器之后只能固定在此测试盒使用，无法更换，否则需要重新进行录入调零操作。

4 结语

通信机房电力和温度检测的集散控制系统目前已经在通信机房应用，取得了比较好的效果。在web上，可以一目了然的观察到所有机房的空调工作情况和温度情况，唯一不足的是，温度初始化需要调零，不适合大规模生产，需要改进一种算法，以便适用于更大规模的监控和生产场所。

参考文献

[1]马忠梅，徐英慧，叶勇建，林明.AT91系列ARM核微控制器结构与开发.北京航天航空大学出版社，2003.

[2]陈文进.配电自动化中数据同步采样及算法研究[D].浙江大学，2003.

[3]张斌.基于小波变换和傅立叶变换的电能质量分析方法[D].四川大学，2001.

[4]张艳平，李益华.电力系统微机监控的交流采样方法研究[J].长沙电力学院学报，2000，15（3）：39-41.