通信电力与环境的自动监控系统.ppt

1 通信电力与环境的自动监控系统 2 自动监控的必要性 保证通信系统的安全 优质与高效电源设备供电的可靠性和供电质量直接影响整个通信系统能否畅通及其通信质量工作环境比较恶劣电力室有机械噪声和电噪声 大功率器件辐射出大量热量人工检测工作量大 3 监控的现状和发展 1 趋向1 由单纯的电源设备监控系统扩展为包括空调机及其他动力设备及环境 保安监控在内的智能型通信保障系统 环境 保安等监测除数据外逐步采用图象通信 趋向2 由单点单址的监控已逐步形成多层次 多局址的网络化监控系统 通信方式已由拨号方式经公共电话网通信发展为经数字数据网 分组交换网等多种组网方式通信 并与网管中心联接 4 监控的现状和发展 2 趋向3 数据采集有集中方式发展为分布式 采集器多为模块化结构 除通用性采集器外还发展了各种专用采集器 以适应电源设备种类多 布局分散的实际需要 趋向4 随着智能型电源设备的发展 数据采集将由电源设备本身完成 再经通信接口输出 监控系统将主要完成数据的处理管理和组网等功能 5 监控系统的总体介绍 监控系统的结构监控系统的功能监控系统的监控内容监控系统的一般要求监控系统管理 6 监控系统的结构 监控系统以多级自下而上逐级汇接构成每个监控级与若干下级监控级连成一点对多点的监控系统最低一级为设备监控单元与其监控的若干设备的连接 7 NSMC 程控交换网或DDN或分组交换网或其他通信网 CSMC 程控交换网或DDN或分组交换网或其他通信网 DSMC1 DSMC2 DSMCn 程控交换网或DDN或分组交换网或其他通信网 LSMC1 LSMC2 LSMCn ESU2 E2 ESUn En E1 ESU1 NSMC 全国监控管理中心CSMC 城市 地区 监控管理中心DSMC 区域 县 监控管理中心LSMC 局站监控管理中心ESU 设备监控单元 8 监控系统的功能 1 整体的功能1 运行参数集中维护管理2 故障集中维护管理3 开放性维护管理4 扩展性维护管理 9 监控系统的功能 2 各级的功能1 设备监控单元 整个系统的核心 2 局站监控管理中心3 区域监控管理中心4 城市监控管理中心 10 监控系统的监控内容 1 通信电源和空调监控系统是对通信局所有的电源设备和生产专用空调设备及机房环境条件进行全面的监控管理 监控的内容主要有以下几方面 局站监控管理中心 区域 县 监控管理中心 城市 地区 监控管理中心的监控内容 11 监控系统的监控主要分遥测 遥控 遥信 通信局站动力与环境设备运行监测和监控的参量分为四类 1 模拟输入信号 即遥测信号 例如电压值 电流值 电池电压等等 2 数字输入信号 即遥信信号 表示的量值只有两种状况 开或关 正确或错误 例如整流器的告警输出等 3 数字输出信号 即遥控信号 通过高一级的维护中心对下一级的电信动力设备的操作来改变远端设备的工作状态 例如在远端开启备用油机等 4 模拟输出信号 即遥调信号 12 1 局 站 监控管理中心的监控内容 13 1 局 站 监控管理中心的监控内容 续 14 1 局 站 监控管理中心的监控内容 续 15 2 城市 区域 监控管理中心的监控内容 作为监控一级管理中心负责监测本城市 地区 各通信局 站 总用电量 有功功率 无功功率 功率因数 遥信本城市 地区 各通信局 站 电源和空调系统的设备工作状态以及故障告警 16 监控系统的一般要求 1 1 组成监控系统的各监控级应能实时监视其监控对象的状态 发现故障及时告警 从故障事件发生至反映到有人值守监控级的时间间隔不应大于30s 各监控级应有多事件多点同时告警功能 告警准确度的要求为100 2 监控系统的软 硬件应采用模块化结构 使之具有最大的灵活性和扩展性 以适应不同规模监控系统网络和不同数量监控对象的需要 17 监控系统的一般要求 2 3 监控系统的采用不应影响被控设备的正常工作 不应改变具有内部自动控制功能的设备的原有功能 监控系统对被控设备进行控制或参数设定时 其控制值应始终保持在安全极限以内 4 监控系统应具有良好的电磁兼容性 被控设备处于任何工作状态下 监控系统应能正常工作 同时监控设备本身不应产生影响被控设备正常工作的电磁干扰 18 监控系统的一般要求 3 5 监控系统应能监控具有不同接地要求的多种设备 任何监控点的接入均不应破坏任何设备的接地系统 6 监控系统应有自诊断功能 诊出故障及时告警 监控设备故障时不应影响被控设备的正常工作和手动控制功能 7 监控系统硬件应采用交流不可断电源或直流不间断电源供电 以防止市电停电而中断工作 19 监控系统的一般要求 4 8 监控系统应具有良好的人机对话界面和汉字支持能力 安装容易 使用方便 故障告警应有明显清晰的可视闻信号 9 监控系统的测量精度要求为 电量一般应优于2 直流电压包括单体蓄电池电压应优于0 5 非电量一般应优于5 10 监控系统硬件可靠性指标MTBF应大于100000h MTTR应小于0 5h 20 监控系统管理 1 性能管理 performancemanagement 监控系统的性能管理是指监控系统评价和报告电源和空调系统性能状态的一系列功能 包括各种电压 电流和其它性能参数的当前值与统计值 各级监控管理中心在正常工作时 能够自动显示所有被控对象的工作状态和告警状况 有灵活的人机对话方式来选择指定监控对象的工作状态和运行参数及其历史数据等详细信息 21 监控系统管理 2 故障管理 faultmanagement 监控系统的故障管理是指监控系统坚测 隔离和校准电压与空调设备工作异常的功能 各监控管理中心应能监测和报告监控对象的异常情况 当发生异常时 画面上应有告警提示 能自动或人工转入告警画面或告警窗 显示打印故障类型 故障位置及其故障时间 同时发出告警声响 并且告警画面中故障点用不同于正常的颜色表示 22 监控系统管理 3 安全管理 securitymanagement 安全管理是监控系统为防止人员越权进行操作或干扰信号浸入 确保系统安全的一系列功能 使用某些功能时必须输入口令 经系统确认后 才可进入系统进行操作 此外操作口令应有不同等级 以限制不同人员的操作范围 维护系统安全 区域 县 监控管理中心和局站监控管理中心应有设备操作记录 其包括操作人 被操作设备 操作时间等 23 监控系统管理 4 配置管理 configurationmanagement 配置管理是监控系统用来建立 增加 删除和修改监控对象或操作人员的一系列功能 监控对象的配置参数包括监控对象的名称 通信方式 通信速率 地址或电话号码等 操作人员的配置参数包括姓名 身份 口令 操作极限 口令有效期 联系电话或手机 呼机号码等 24 局站监控系统 监控系统的基本原理监控系统的软件组成 25 局站监控系统的原理 1 局站监控系统是整个监控网络的基础 局站监控系统是由局站监控管理中心 LSMC 和若干设备监控单元 ESU 经RS 485或RS 422接口用通信电缆或屏蔽双绞线联接而成 在某些情况下也可用RS 232C接口联接 局站监控中心 LSMC 还有和上级区域监控管理中心 DSMC 通信的功能 并成为区域监控管理系统的一部分 不过这种通信都是经过公共通信网实现的 26 27 局站监控系统的原理 2 设备监控单元 ESU 下图示出ZXDU180组合电源系统框图 它具有上述ESU的典型功能 28 监控系统的软件组成 1 系统软件模块 29 监控系统的软件组成 2 操作系统和软件开发工具监控软件是一种实时多任务 多功能 面向对象设计的软件 因此开发软件的操作系统应满足实时多任务 用户界面友好 应用程序运行速度快 网络和多媒体多功能强 兼容性好等要求 目前主要是Windows95 VisualBasic 30 监控系统的软件组成 3 通信与通信协议按其功能可分为两层 采集控制层和管理层 1 采集控制层主要是由局站监控管理机 RS485 RS422接口 设备监控单元 被控设备组成的局站监控系统监控管理机以一点对多点 可为串形或星形结构 与设备监控单元通信 分时访问所有被控设备 31 监控系统的软件组成 4 通信与通信协议2 管理层是指由区域 县 监控管理中心 城市 地区 监控管理中心组成的旨在对各局站的被控设备进行维护管理管理层之间的通信在TN中以一点对多点分时进行 32 监控系统的软件组成 5 设备监控单元 ESU 与局站监控管理中心 LSMC 之间应采用RS 422 RS 485接口连接传输线路采用局站内专有屏蔽双绞线或专用通信电缆 数据传输速率可采用1 2K 4 8K 9 6K 19 2K 38 4kb s等 其它级之间 例LSMC与DSMC及以上 的连接可RS 232经MODEM连接 33 监控系统的软件组成 6 远程监控一般远端局都应当设置交换机房 配线房 动力机房等功能性房间 而每个功能性房间应配置一套门禁系统 一套扬声器与音箱 多台摄象机等 这些都需要进行监控 每个远端局的监控部分可由几个监控模块 电源监控模块 蓄电池监控模 环境块监控模块 协议转换器 前置机组成 34 设备监控单元 信号采集所需的一些部件1 各种传感器 变送器以实现对监控对象的电量和非电量数据的检测2 模 数 A D 和数 模 D A 转换器以实现被测信号和计算机接口的配合3 各种隔离器件以保障被控设备和监控系统的安全运行 35 温度传感器 1 温度传感器目前常用的种类有PN结 热敏电阻和热电阻等类型 各有优缺点 在仪器仪表及监控系统中都有应用 1 PN结温度传感器基本原理晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度变化的 这种传感器有较好的线性度 尺寸小 其热时间常数为0 2 2秒 灵敏度高 测温范围为 50 150 36 典型的温度曲线如右图所示 PN结温度传感器的温度曲线 37 温度传感器 2 2 热敏电阻温度传感器基本原理把金属氧化物陶瓷半导体材料 经成形 烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻热敏电阻的温度系数有正有负 因此分成两类 NTC热敏电阻PTC热敏电阻 电阻温度系数为负 38 温度传感器 3 NTC热敏电阻的电阻值R与温度T K 的关系如下式 R R0 exp B 1 T 1 T0 9 1 式中 R0 温度为T0 K 时的电阻值B 常数 一般为3000 5000 K 由上式可以看出 电阻与温度的关系是指数曲线 如果将温度特性换算成电阻值的变换率 则在室温附近的单位温度变化 其电阻变换率为3 5 约为铂电阻的十倍 这说明热敏电阻的灵敏度是很高的 39 典型的NTC热敏电阻的特性曲线 40 温度传感器 4 一般NTC热敏电阻测量范围比较宽 主要用于温度测量 而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄 一般用于恒温加热控制或温度开关 也用于彩色电视机中作自动消磁元件 有一些功率PTC元件作为发热元件用 PTC缓变型热敏电阻可用于作温度补偿或作温度测量 41 典型PTC线性热敏电阻特性曲线如图 42 温度传感器 5 热敏电阻的优点 温度系数绝对值大 灵敏度高 测量线路简单体积小 重量轻 热惯性小本身电阻值大 适于远距离测量热敏电阻产品已系列化 便于设计选用工作寿命长 而且价格便宜 43 温度传感器 6 热敏电阻的缺点 非线性大 在电路上要进行线性化补偿稳定性稍差 并有老化现象同一种型号有3 5 的阻值误差 常数B也有3 左右误差 一致性差 44 湿度传感器 1 监控系统中用的湿度传感器一般都用以检测环境的相对湿度 相对湿度指的是空气中所含实际水蒸气量和同温度下所含最大水蒸气量的比值 用百分比表示为 RH 湿度传感器的基本原理水分子有较大的偶极矩 因而易于附着并渗透入固体表面内 利用这种现象制成的湿敏元件称为 水分子规和力型 另外一类湿敏元件与水分子亲和力无关系 称为 非水分子亲和力型 45 湿度传感器 2 水分子附着或浸入湿敏功能材料后 不仅是物理吸附 而且还有化学吸附 其结要是使其电气性能变化 水分子被金属氧化物湿敏元件表面吸附后 使其阻抗产生很大变化 相对湿度从0 RH 100 RH变化时 其阻抗变化5个数量级 这些可以制成阻抗式湿敏元件 另外 还有一些湿敏功能材料 如高分子聚合物 吸附水分子后 其介质常数显著变化 这种材料可制成电容式湿敏元件 46 湿度传感器 3 1 精度与长期稳定性一般湿度传感器的精度为 2 5 RH 要达到 2 RH 3 RH的精度是较困难的 在实际使用中 由于尘土 油污 有害气体的影响 使用时间一长会产生老化 影响其精度 因此 湿度传感器长期工作稳定性十分重要 目前能达到1 4 RH 年的水平 47 湿度传感器 4 2 湿度传感器的湿度系数湿敏元件除对环境湿度敏感外 对温度也十分敏感 其温度系数一般在0 2 0 8 RH 范围内 而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下 其温度系数又有差别 这需要在电中上加温度补偿 或采有计算机软件补偿 48 湿度传感器 5 3 湿度传感器的供电金属氧化物陶瓷 高分子聚合物和氧化锂等湿敏材料施加直流电压时 会使湿敏材料电解或使电极材料发生游离 导致性能变坏 所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流分量的交流电压 必须是交流电供电 如正弦波 方波或三角波等 49 湿度传感器 6 4 互换性目前 湿度传感器 无论是高分子湿度传感器还是金属氧化物陶瓷材料的薄膜或厚膜湿度传感器 一致性较差 同一种型号的传感器不能互换 这给电路调试及维护增加了困难 5 湿度校正 标定工作困难湿度的校正 标定工作要比温度校正 标定困难得多在没有完善的检定设备时 通常采用简单的饱和盐溶液检定法 并测量其湿度 饱和盐溶液的相对湿度与温度有关 50 霍耳电流电压传感器 1 霍耳器件的工作原理与特性霍耳器件是利用薄片状半导体材料对磁场的敏感效应而制成的一种半导体器件 结构如下页图所示 如要由电流控制极1 2通以电流Ic 即控制电流 并在其垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场 由于洛化兹力的作用使载流子在Y轴方向某侧面积累从而产生两侧面间的电位差 即霍耳电压 51 霍耳电流电压传感器 2 52 霍耳电流电压传感器 3 实验证明 霍耳电压与控制电流Ie和磁感应强度B的矢量积成正比若磁场垂直于电流方向 则 当磁场B或控制极电流Ic方向改变时 的极性也随之改变 53 光电耦合器件 1 在计算机控制应用系统中 被控制对象往往是强功率的工业设备 为了安全可靠 通常需要把强电部分与弱电的计算机系统在电气上隔离开来 过去常用隔离变压器或继电器来实现 而目前则广泛用高性能而廉价的光电耦合器件来代替光电耦合器件是把发光元件和受光元件封装在一个器件中 将发光元件接输入侧 受光元件接输出侧 以光作为媒介传输信息 以隔离输入与输出端的直接电联系 54 光电耦合器件 2 光电耦合器的特点 单向传送信号 寄生电容反馈极小 内装晶体管的光电耦合器输入输出之间信号传输效率可以做得相当高 输入端和输出端的地电位可以独立选取 而且它们之间的绝缘电压至少可达1000V 最高可达50000V 响应速度快 既可以传输直流信号 又能传输高达几MHZ的脉冲 共模抑制比高 抗于扰能力强 不受磁场影响 不需磁屏蔽 体积小 重量轻 抗机械冲击能力强 使用方便 价格便宜 性能稳定 可靠性高 55 发光二级管 三极管型该种光电耦合器比较便宜 得到广泛应用这种光电耦合器有的并不引出三级管的基极 引出基极的目的是可以加上电信号 与光信号混合进行感度调制 或进行方便的湿度补偿 56 发光二极管 二极管和三级管放大型这种光电耦合器用光敏二极管作受光元件 再用三极管把光电流进行放大输出 其特点是光敏二极管的高频响应较好 57 发光二极管 二极管和达林顿型这种光电耦合器是在以上一种器件的基础上 在片内再加上一只三极管 并按达林顿方式连接 其特点是放大系数大 光感度好 58 数 模 D A 和模 数 A D 转换器 1 1 D A转换器的基本原理把一个二进制数转换成一个模拟电压是D A转换问题 简单的解决办法是 对应于二进制数的每一位 都有一个电压的数值产生 这个电压值正比于相应位的二进制权 59 数 模 D A 和模 数 A D 转换器 2 右图所示为一个单片D A转换器的典型设计方案 这一器件具有4位的分辨率 实际上 是用电流代替电压进行相加 由参考电流源 位换能晶体管 梯形电阻网络 位换能开关和电流 电压转换器所组成 60 数 模 D A 和模 数 A D 转换器 3 2 逐次逼近型A D转换器的基本原理A D转换器芯片种类很多 在监控系统中大量应用的是逐次逼近 比较式A D 逐次逼近型A D变换器 如下页图所示 由D A变换器 比较器 逐次逼近寄存器 控制逻辑等组成 将输入信号和D A变换器的输出逐次比较而进行变换 直至其差收敛于 0 5LSB以内而完成操作 这种操作 类似于在化学天平上使用有二进制权的砝码 实现称重量的事例 61 数 模 D A 和模 数 A D 转换器 4 首先 加入开始变换指令 以及寄存器一类复位 将D A变换器的MSB输出 1 2满量程 输入比较器和输入信号比较 如果输入比MSB大 则MSB保留在ON状态 即输出寄存器在 1 但是如果输入比MSB小 MSB为OFF状态 输出寄存器在 0 接着 在第2bit D A变换器的输出MSB 1 4满量程和输入比较 如果此值输入小 则此bit保留在ON状态 再继续试第3bit 但是如果第2bit比输入大 就置于OFF状态 试第3bit 在第3bit 和第2bit比较 以下同样同下位bit顺次比较 一直进行到LSB 变换结束 见下页图 62 63 数 模 D A 和模 数 A D 转换器 5 即如果是nbit变换器 进行n次比较操作 输出寄存器的内容 得到对应输入信号大小的二进制码 64 调