集装箱式电源系统安全监控设计

闵庆伟，于水英，付志超，孙　佳（.湖北长海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



集装箱式电源系统安全监控设计

闵庆伟1，2，于水英1，付志超1，2，孙佳1，2
（1.湖北长海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：针对集装箱式电源系统的安全性需求，研制了集装箱安全监控系统。本文介绍了安全监控系统的组成、控制策略和实现方式；详细介绍了安全控制箱的硬件设计和软件设计。实践表明该安全监控系统在应用中满足设计指标和可靠性要求，为集装箱式电源系统的安全可靠运行提供有力保障。

关键词：电源系统集装箱安全监控

0　引言

蓄电池电源系统主要用作工业系统的备用电源、大型化工厂及钢铁厂的应急电源、风力发电厂和太阳能发电厂的储能电源。工程项目中要求提供成套系统设备，即集装箱式电源系统，它包括：集装箱结构体、蓄电池组、电池巡检系统、安全监控系统，甚至充放电设备。

蓄电池在充电反应会产生热量，氧复合过程也会产生热量，而贫液式阀控电池因本身的热容量较小，散热条件差，又无流动电解液可提供对流散热方式，且采用装配工艺亦不利于散热等都会造成电池的热量难于发散。长期维持在均充电压上并居高不下，使蓄电池起了与水的电解槽相仿的作用，不但产生热量大而且析氢量大增，导致电池过分频繁地开闭控制阀，损失电池内的水分，甚至出现“热失控”现象，所以阀控电池在制造和使用中必须考虑散热、通风措施，保证蓄电池组的安全。

1　安全监控系统设计

本文介绍的集装箱式电源系统主要包括：集装箱结构体、两组阀控铅酸蓄电池、电池巡检系统、安全监控系统。

集装箱安全监控系统的任务是监控蓄电池集装箱内部的氢气浓度、温度，并通信接收电池巡检系统的信息。当监测到安全数据超过安全控制值时，通过安全控制策略进行安全报警提示，并自动控制风扇，有效控制集装箱处于安全的氢气浓度、温度范围内，保证集装箱式电源系统安全可靠运行。

集装箱安全监控系统由防爆安全监控箱、防爆操控板、氢气浓度传感器（3个）、温度传感器（8个）、行程开关（2个）、报警器、防爆风扇（2个）、防爆照明灯（3个）、防爆线缆等组成，具体结构关系如图1所示。

图1　集装箱安全监控系统框图

风扇、照明灯、传感器安装于集装箱结构内顶部，3个照明灯和2个风扇间隔安装在顶部长方形的中线上；3个氢气浓度传感器、3个温度传感器均匀分布长方形对角直线，氢气浓度传感器安装在一条对角线上，温度传感器安装在另一条对角线上，另外5个温度传感器安装在电池台架上。2个行程开关安装在集装箱门内部，检测集装箱门的开和关，行程开关提供1对常开和常闭触点。

操控板安装在集装箱外壁，主要有AC220V电源连接器、手动风扇控制开关、手动照明灯控制开关；报警器安装在集装箱外顶部。

安全控制箱安装在集装箱内部，主要监测氢气传感器信号、温度传感器信号、行程开关触点信号，同时接收电池巡检系统通信信号，通过控制策略判断控制风扇、照明灯、报警器的启动与停止。

2　安全监控系统控制策略

安全控制策略分为手动和自动两部分，根据系统设计要求，手动部分功能有：控制板的照明灯开关、风扇开关，手动控制照明灯、风扇的开启和关闭；安全控制箱的消音开关、复位开关，在报警时手动控制报警消音和复位。

自动检测部分是安全监控的重点，在无人值守时关系到集装箱电源系统的安全，主要功能有：

1）当集装箱内任何一个温度传感器探测到温度达到40℃时，自动启动排风扇、照明灯和外部声光报警器；当温度低于35℃时，声光报警器与排风扇自动停止；

2）在温度报警过程中，可按安全控制箱上的消音按钮，对外部的声光报警器进行停止，而排风扇继续工作，直到温度低于35℃时停止；

3）当集装箱内任何一个氢气传感器探测到氢气的浓度达到25%LEL时，自动启动排风扇、照明灯和外部声光报警器；当浓度低于12%LEL时，声光报警器与排风扇自动停止；

4）在氢气报警过程中，可按安全控制箱上的消音按钮，对外部的声光报警器进行停止，而排风扇继续工作，直到浓度低于12%LEL时停止；

5）电池巡检系统通信提供电池的电压、温度状态的警告、报警信息，安全控制箱控制风扇启动、报警器声光报警；

6）按安全控制箱上消音键后，如果氢气深度或温度达到设定的报警值，外部声光报警器可以恢复报警，排风扇能够重新启动；

7）按安全控制箱上的复位按钮，可对整个系统进行复位，复位后若氢气浓度或温度没有超过设定值时，排风扇和外部报警灯应停止工作；

8）风扇的启动/停止不能连续反复进行，最少运行或停止1min，保证设备安全。

表1　手动开关状态表

表2　自动状态控制表

3　安全控制箱硬件设计

安全控制箱是安全监控系统的核心部分，安全控制箱由防爆箱体、DSP控制器、控制电路、24DC电源等组成。功能的实现主要由DSP控制器和控制电路组合实现，下面详细叙述DSP控制器设计和控制电路设计。

3.1控制器设计

根据安全监控系统功能需求，检测和控制对象信号类别及数量分析，控制器硬件采用DSP2812芯片开发并且标准化设计，主要资源包括：8路4-20 mA电流信号采集，8路PT1000温度信号采集，16路DC24V数字输出，16路DC24V数字输入，1路标准CAN总线通信，2路RS485串口通信，控制器资源框图如图2所示。

图 2　DSP控制器框图

系统研制调试后，氢气浓度监测的精度1%LEL，温度监测的精度为1℃，数字量输出信号接口能力为DC24V/0.5A，数字量输入信号接口能力DC24V/0.5A，满足安全监控系统的检测精度和控制驱动能力。

3.2控制电路设计

安全监控系统设计从系统可靠性和人工干预角度保证集装箱的安全，所以系统设计应考虑手动控制和自动控制，同时应该考虑在控制器失效的情况下能手动强制启动风扇，这些功能的实现需要在控制电路设计中考虑。

正常工作时三个照明灯同时点亮，两个风扇一用一备。如风扇的控制考虑手动和自动控制，同时考虑在控制器失效的情况下手动控制，所以在控制电路中要求弱电控制和强电控制，且两者互不干扰，同时要求实时检测风扇的工作状态，考虑风扇备用情况。考虑到电路简单可靠，设计安全控制箱的控制电路如图3所示。

图3　控制电路图

4　监控软件设计

安全监控系统软件是一个嵌入式软件，软件基于Windows XP平台采用CCStudio v3.3开发，程序主要功能包括：氢气浓度传感器信号采集、温度传感器信号采集、数字量输出控制、数字量输入采集、CAN通信处理、控制策略模块等等。

监控软件的核心是安全监控策略的实现，安全监控系统中涉及到多个检测输入对应多个控制输出，在软件实现过程中需要考虑事件发生的逻辑关系和优先级，所以对输出的对象设置多层中间变量，保证逻辑关系的触发和优先级的判断分开设计，最后统一硬件输出，具体监控流程如图4、图5、图6所示。编写软件时根据表2自动状态控制表设计中间变量，如：变量风扇Fan、灯Lamp、报警Arm，根据触发事项命名Fan1、Fan2、Fan3、Fan4、Fan5等等，实现逻辑关系和控制优先级的区分。

图4　温度判断控制流程

图5　氢气判断控制流程

5　结论

本文介绍了集装箱式电源系统，详细介绍了集装箱安全监控系统的组成、控制策略、实现方式。通过多轮次试验调试和运行试验，该安全监控系统满足设计指标和可靠性要求，为集装箱式电源系统的安全可靠运行提供有力保障。

图6　统一输出控制流程

参考文献：

［1］电力工程设计应用手册：STAR牌GFM型阀控密封铅酸蓄电池［M］.河南电力勘测设计院，2001.1.

［2］顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.4.

［3］赵惠峰，乔长君.低压电气控制线路图册.北京：化学工业出版社，2013.3.

Design of Safety Monitoring for Container-type Power Supply System

Min Qingwei1.2，Yu Shuiying1，Fu Zhichao1，2，Sun Jia1，2
（1.Hubei Greatsea New Power Technology Co.，Ltd，Ezhou 436070，China； 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:According to the safety requirement of the container type power supply system，the container safety monitoring system is developed.This paper introduces the composition，control strategy and implementation of safety monitoring system，and describes the hardware design and software design of the safety control box in detail.The practice shows that the safety monitoring system to meet the design requirements and reliability in the application，and the design provides a powerful guarantee for the safe and reliable operation of the container type power supply system.

Keywords:power supply system； container； security monitoring

中图分类号：TP302

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0026-03

收稿日期：2015-12-23

作者简介：闵庆伟（1967-），男，高级工。研究方向：铅酸电池。