CN103633353A

CN103633353A - 一种无人值守的通信用燃料电池监控系统

Info

Publication number: CN103633353A
Application number: CN201310651974.1A
Authority: CN
Inventors: 王丽芳; 吉莉; 胡伯雪; 吴艳
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: CN103633353B

Abstract

一种无人值守的通信用燃料电池监控系统，包括：无人值守监控板卡、远程数据模块，以及远程显示和控制模块；所述的无人值守监控板卡由现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分组成，现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分通过CAN通讯模块相连接进行信息传输。所述的远程数据模块包含远程数据处理单元和远程数据存储单元；远程数据处理单元接收来自无人值守监控板卡传送来的燃料电池运行信息，通过对燃料电池运行信息进行处理，由远程数据存储单元进行存储；所述的远程显示和控制模块包括远程显示模块和控制模块，用于显示远程数据存储单元内存储的数据和接受终端用户对于无人值守监控板卡的操作。

Description

一种无人值守的通信用燃料电池监控系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池监控装置，尤其涉及一种通信用燃料电池的远程无人值守监控系统。

背景技术

燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点。燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电等领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力及自动控制等众多领域，对各种参数和设备状态的监控对于燃料电池的高效和安全运行尤为重要。

目前很多对大功率的燃料电池的监测依然停留在远程收取数据，通过CAN总线、LIN总线等总线技术，收取燃料电池的压力、温度、效率、功率等运行参数，将收取到的数据通过分析、审核，判断燃料电池设备是否正常运行，根据结果进行控制或者分析等操作。这种方法不仅数据传输速度受限而且数据安全性难以得到保证，而且，这种监控方式仅仅管理员能够得到消息，很容易带来处理不及时导致的安全事故的风险。此外，这种传统的信息传送方式是基于“拉”的方式，无人值守设备处于被动的地位，只能将数据和信息被动地发送给远程管理者。如何能够让无人值守设备的信息传送方式采用“推”的方式，也就是说远程无人值守设备能够在发生任何问题或者拥有异常信息的情况下主动将信息推送到用户或者管理者面前是燃料电池远程无人值守设备急需解决的问题，同时，仅仅有“推”的方式还不够，“推”与“拉”的方式应该相辅相成，互相取长补短，但是如何设计这样一套复杂的信息通信系统更是决定燃料电池能否被广泛使用的关键所在。

中国专利201120527129.X“基于以太网的燃料电池远程监控系统”描述了一种基于以太网的燃料电池监控系统，该系统是基于C/S的构建模式，通过以太网获取燃料电池电源系统的主要参数数据发送到中央服务器，这种方法正如上文描述的，不仅传输速度得不到保证而且传输安全也得不到保证，最严重的是将数据的压力全部集中在中央服务器上，现场板块仅仅扮演“收发工”的角色，不能得到有效利用。

中国专利201220052220.5“一种新能源燃料电池的运行状态远程监控系统”描述了一种新能源燃料电池的运行状态远程监控系统，该系统的远程监控单元采用RS232或RS485与控制单元进行数据通讯和远程控制，弊端同上面的专利类似。

发明内容

本发明的目的是克服现有的燃料电池监测系统信息发布被动滞后的缺点，提出一种无人值守的通信用燃料电池监控系统。本发明可用于对燃料电池的设备参数和设备状态的监控，以支持用户对燃料电池的安全性、可靠性和有效性进行实时、准确和便捷的监控，为燃料电池的可靠投运打下基础。

本发明包括：无人值守监控板卡、远程数据模块，以及远程显示和控制模块。

所述的无人值守监控板卡是安放在野外，在燃料电池位置附近的无人值守的监控板卡，用于监测燃料电池的工作过程是否正常以及负责数据传回和接受并执行远程命令，由现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分组成。现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分通过CAN通讯模块相连接进行信息传输。

所述的现场数据采集/控制单元包含：处理器、数据采集模块、控制模块、嵌入存储模块和CAN通讯模块。现场数据采集/控制单元的数据采集模块通过传感器直接采集燃料电池运行信息，采集到的燃料电池运行信息经AD转换模块转换后，通过SPI串口通讯传输到处理器。处理器的I/O口与控制模块连接，控制模块与燃料电池的氢气阀、背压阀、风机等动作器件相连接，控制燃料电池的运行状态。处理器直接与嵌入存储模块相连，对其内部数据进行读取、修改。数据采集/控制单元的处理器通过CAN通讯接口直接与CAN通信模块相连接，与无人值守监控板卡的信息处理/通信单元进行通讯。

现场数据采集/控制单元数据采集模块的传感器包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、风机转速传感器、氢气浓度传感器等。电压传感器安装在各燃料电池单体以及燃料电池电能输出端，采集燃料电池各单体电压与燃料电池输出总电压。电流传感器安装在燃料电池电能输出端，采集燃料电池输出电流。温度传感器安装在燃料电池、燃料电池周边环境以及电池电能输出端，采集燃料电池反应堆温度、环境温度以及燃料电池电能变换装置温度。压力传感器安装在氢气瓶出口、各级减压阀、燃料电池的入口与出口，采集出氢气瓶氢气压力、减压后氢气压力、入燃料电池氢气压力、出燃料电池氢气压力。风机转速传感器安装在为燃料电池提供空气的风机，采集风机的转速。氢气浓度传感器安装在燃料电池周边环境，采集环境中的氢气浓度。各传感器采集到的信号经AD转换模块发送到现场数据采集/控制单元的处理器。

现场数据采集/控制单元的控制模块接收来自现场数据采集/控制单元的处理器的动作信号，控制包含氢气阀、背压阀的开启和关闭，控制燃料电池输出开关、保护电路切换开关和声光报警开关的开断，并驱动风机PWM驱动电路。

现场数据采集/控制单元的嵌入存储模块，存储燃料电池运行初始化参数与氢气瓶氢气压力、减压后氢气压力、入燃料电池氢气压力、出燃料电池氢气压力、燃料电池温度、环境温度、燃料电池电能变换装置温度、环境氢气浓度、各单体电压、燃料电池输出总电压、燃料电池输出总电流、风机转速等燃料电池运行参数的标定偏移值与安全运行阈值。

由电压、电流、温度、氢气浓度等各类传感器获得的燃料电池运行参数，经AD转换模块处理之后传送给现场数据采集/控制单元的处理器。处理器读取嵌入式存储模块中燃料电池运行参数的安全运行阈值，根据采集到的燃料电池运行信息判断燃料电池运行是否正常。如果燃料电池运行正常，处理器通过CAN通讯模块向无人值守监控板卡的信息处理/通信单元发送燃料电池运行参数；如果燃料电池运行异常，如氢气压力过高/过低、燃料电池温度过高/过低、燃料电池运行电压电流过高/过低，空气流量过高/过低，环境氢气浓度过高等，现场数据采集/控制单元通过控制模块对燃料电池执行保护动作，并向信息处理/通信单元发出燃料电池运行参数与系统异常信息。同时，处理器通过CAN通讯模块接收来自信息处理/通信单元的操作指令，根据操作指令，通过控制模块对燃料电池的氢气阀、背压阀、系统输出开关、保护电路开关以及风机等动作器件进行相应的控制或者对嵌入存储模块中存储的数据参数进行读取或修改。

所述的信息处理/通信单元包含中央处理器、CAN通信模块、GPRS通信模块、嵌入式Web服务器模块、嵌入式存储模块、μCOSII模块、摄像头模块和嵌入式显示和控制模块。无人值守监控板卡通过GPRS无线通讯模块将系统运行信息发布至远程数据模块、远程显示和控制模块。同时，无人值守监控板卡通过GPRS无线通讯模块接收来自远程数据模块、远程显示和控制模块的操作指令，根据接收到的操作指令对燃料电池执行相应的操作。嵌入式模块采用EEPROM的形式，uCOSII操作系统采用从网络下载的方式下载到无人值守监控板卡中。信息处理/通信单元的中央处理器将通过CAN通讯模块接收到的数据信息进行分析处理后，根据安全等级和预警条件的设置，将上述信息分两步发送，一是将紧急数据发送给在无人值守监控板卡上部署的Web服务器上，并采用浏览器的方式推送给检测者，第二步将非紧急的数据采用GPRS的方式通过用以太网发送给远程数据模块，远程数据模块将这些数据进行存储后进行分析计算，并显示给监控人员。监控人员采用两种方式对远程无人值守的通信用燃料电池进行监控，一种方式是采用任意浏览器方式，包括手机的、pad的、pc的以及其他可以嵌入浏览器的设备，实时无缝地获得无人值守监控板卡推送的紧急数据进行控制，如关闭/开启阀门、增加/减小风机转速、改变PID值以及所有值的标定等，另一种方式是通过pc的远程控制模块，定期或不定期进行查看分析、应急处理和策略调整等。也就说，任何人在任何地点只要有网络就可以进行监控，大大提高的燃料电池运行的安全性和可靠性。

所述的远程数据模块包含远程数据处理单元和远程数据存储单元。所述的远程显示和控制模块包括远程显示模块和远程控制模块。远程显示模块用于显示远程数据存储单元中的数据，远程控制模块用于接收终端用户对于无人值守燃料电池监控板卡的控制动作。远程数据处理单元、远程数据存储单元、远程显示模块和远程控制模块在同一个局域网内部署，分别放置于不同的计算机内，之间的通信采用Internet。

所述的远程数据模块中的远程数据处理单元通过GPRS无线通讯模块接收来自无人值守监控板卡信息处理/通信单元的GPRS模块传送来的燃料电池运行信息，通过对燃料电池运行信息进行处理，包括数据有效性、数据可靠性以及数据的清洗、比对等工作后，由远程数据存储单元进行存储，远程数据存储单元由多个服务器进行级联组成大的存储单元。然后远程数据处理单元对这些存储的数据进行数据分析，包括燃料电池各参数的年运行曲线、月运行曲线、日运行曲线以及燃料电池发电的功率曲线等，之后由远程数据显示模块进行结果显示，远程数据显示模块由中央显示器构成。同时，远程数据显示模块可以接受远程控制模块的控制，远程数据显示模块在接收到操作人员的操作命令，如开机、关机、暂停、标定、修订、带载、卸载、开启氢气阀、关闭氢气阀、开启背压阀等，然后将操作命令传送给远程数据控制模块，远程数据控制模块将接收到的操作命令通过远程数据处理单元的GPRS通讯模块向无人值守监控板卡的GPRS模块发送相应的操作指令，比如开机、停机、暂停、修订、标定、开氢气阀、关闭氢气阀、打开被压阀等，无人值守监控板卡的信息处理/通信单元根据接收到的指令进行相应的动作。

附图说明

图1是典型基于风冷的燃料电池的结构示意图；

图2是本发明无人值守通信用燃料电池监控系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

燃料电池结构如图1所示，是由氢气和氧气共同作用于燃料电池堆模块产生电能进行输出从而带动负载工作，可带通信用的基站等。

图2所示为本发明无人值守的通信用燃料电池监控系统的结构组成示意图。如图2所示，本无人值守的通信用燃料电池监控系统包括无人值守监控板卡、远程数据模块、远程显示和控制模块。

所述的无人值守监控板卡由现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分组成，现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分通过CAN通讯模块相连接进行信息传输。

现场数据采集/控制单元包含：处理器、数据采集模块、控制模块、嵌入存储模块和CAN通讯模块；信息处理/通信单元包含中央处理器、CAN通信模块、GPRS通信模块、嵌入式Web服务器模块、嵌入式存储模块、μCOSII模块、摄像头模块和嵌入式显示和控制模块。

所述的现场数据采集/控制单元的处理器采用飞思卡尔的MC9S12XEP100芯片，芯片自身有EEPROM存储、看门狗单元、SPI通信接口、AD转换接口、I/O接口、PWM信号接口、CAN通信接口等功能。芯片自身的EEPROM作为嵌入存储模块，存储氢气阀开关周期、背压阀开关周期、初始风机转速等燃料电池运行初始化参数与氢气瓶氢气压力、减压后氢气压力、入燃料电池氢气压力、出燃料电池氢气压力、燃料电池温度、环境温度、燃料电池电能变换装置温度、环境氢气浓度、各单体电压、燃料电池输出总电压、燃料电池输出总电流、风机转速等燃料电池运行参数的标定偏移值与安全运行阈值。看门狗单元在现场数据采集/控制单元的处理器中程序进入死循环时，恢复系统的运行。

数据采集/控制单元的数据采集模块包含四个HUBA511压力传感器、两个PT100温度传感器、两个NTC温度传感器、一个FCM6812氢气浓度传感器、一个宇波电流传感器及各传感器对应的信号调理电路，AD7708、ADE7753、LTC6803-3三个AD转换芯片。四个HUBA511压力传感器分别采集氢气瓶氢气压力、减压后氢气压力、入燃料电池氢气压力、出燃料电池氢气压力，四个HUBA511压力传感器采集到的模拟信号通过各自的信号调理电路与AD转换芯片AD7708相连接。两个PT100温度传感器采集环境温度和燃料电池电能变换装置温度，两个NTC温度传感器采集燃料电池温度，四个温度传感器采集到的模拟信号通过各自的信号调理电路与AD转换芯片AD7708相连接。FCM6812氢气浓度传感器采集燃料电池周围环境的氢气浓度，FCM6812采集到的模拟信号通过其信号调理电路与AD转换芯片AD7708相连接。一个AD转换芯片AD7708将采集到9个模拟量进行AD转换。MC9S12XEP100芯片通过自身的SPI通信接口与AD7708上的SPI通信接口相连接，获取氢气瓶氢气压力、减压后氢气压力、入燃料电池氢气压力、出燃料电池氢气压力、燃料电池温度、环境温度、燃料电池电能变换装置温度、环境氢气浓度等燃料电池运行参数。一个宇波电流传感器与燃料电池输出相连接，采集燃料电池输出总电流，采集到的模拟信号通过信号调理电路后传输至AD转换芯片ADE7753进行AD转换。MC9S12XEP100芯片通过自身的SPI通信接口与ADE7753上的SPI通信接口相连接，获取燃料电池输出总电流。AD转换芯片LTC6803-3直接与各燃料电池单体相连接，获取各单体燃料电池电压。MC9S12XEP100通过SPI通信方式与LTC6803-3上的SPI通信接口相连接，获取各燃料电池单体电压。燃料电池输出端口通过电压信号调理电路直接与MC9S12XEP100的AD转换模块相连接，MC9S12XEP100芯片通过自身的AD转换获取燃料电池输出总电压。

数据采集/控制单元的控制模块包括氢气阀、背压阀、燃料电池输出开关、保护电路切换开关、声光报警开关的驱动电路以及风机的PWM驱动电路。MC9S12XEP100的五个I/O接口分别与氢气阀、背压阀、燃料电池输出开关、保护电路切换开关、声光报警开关的驱动电路相连接。MC9S12XEP100的PWM信号接口与风机W1G180-AB47-01供气风扇的接口相连接，一方面通过调节PWM输出信号的占空比，控制风机转速，一方面接收风机的速度信号，获取风机转速信息。

CAN通信模块包括MC9S12XEP100的CAN通信接口与TJA1050CAN总线高速收发器以及连接电路组成。MC9S12XEP100的CAN通信接口通过连接电路与TJA1050CAN总线高速收发器相连接。

由电压、电流、温度、氢气浓度等各类传感器获得的燃料电池运行参数，经AD转换模块处理之后传送给现场数据采集/控制单元的处理器。处理器读取嵌入式存储模块中燃料电池运行参数的安全运行阈值，根据采集到的燃料电池运行信息判断燃料电池运行是否正常。如果燃料电池发生运行正常，处理器通过CAN通讯模块向无人值守监控板卡的信息处理/通信单元燃料电池运行参数；如果燃料电池发生运行异常，如氢气压力过高/过低、燃料电池温度过高/过低、系统运行各电压电流过高/过低，空气流量过高/过低，环境氢气浓度过高等，现场数据采集/控制单元通过控制模块对燃料电池执行保护动作，并向信息处理/通信单元发出燃料电池运行参数与系统异常信息。同时，处理器通过CAN通讯模块接收来自信息处理/通信单元的操作指令，根据操作指令，通过控制模块对燃料电池的氢气阀、背压阀、系统输出开关、保护电路开关以及风机等动作器件进行相应的控制或者对嵌入存储模块中存储的数据参数进行读取或修改。

所述的信息处理/通信单元的中央处理器采用飞思卡尔的MC9S12XEP100，芯片内有操作系统、java虚拟机、web服务器模块、webkit浏览器模块。MC9S12XEP100通过RS232串口与嵌入式显示和控制模块，即电阻式触控屏相连接，web服务内容通过浏览器解析在电阻屏上显示出来，屏幕同时接收用户操作通过浏览器解析web服务器提供服务与芯片进行指令的传输，芯片通过CAN通信模块向现场数据采集/控制单元发出指令，实现对氢气阀、背压阀、燃料电池输出开关、保护电路切换开关、风机、声光报警开关等执行部件和各类传感器进行控制。信息处理/通信单元与远程数据模块的联系通过GPRS模块通过GPRS网络进行传输，传输到远程数据处理模块后进行远程数据存储和分析，再通过以太网的形式进行远程显示给监控人员，监控人员同时通过显示的数据和分析的结果进行控制命令的发出，命令发出后通过GPRS网络传送到远程无人值守板卡，板卡同样通过控制总线和数据总线（包括CAN总线）对板卡的各个管脚和各类传感器进行控制，达到数据量传输分级、分层级传送，尽可能地减少数据通道的压力，同时极大地提高了紧急事件的处理速度，能够更好地保障燃料电池在实际使用当中的安全性。

所述的嵌入式显示和控制模块采用迪文7寸电阻屏，可以实现插卡式读取。

所述的基于jsp的web服务器模块采用精简的java虚拟机模块及阿帕奇的web服务器模块。

所述的基于web的浏览器模块采用基于webkit的精简浏览器模块。

所述的远程数据模块包含远程数据处理单元、远程数据存储单元。所述的远程显示和控制模块包括远程显示模块和控制模块。

远程数据处理单元通过GPRS无线通讯模块接收来自无人值守监控板卡的GPRS模块传送来的燃料电池运行信息，通过对燃料电池运行信息进行处理，包括数据有效性、数据可靠性以及数据的清洗、比对等工作后，由远程数据存储单元进行存储，远程数据存储单元是由多个服务器级联组成大的存储单元，内有数据库或数据仓库程序。然后远程数据处理单元对这些存储的数据进行大量的数据分析，包括燃料电池各参数的年运行曲线、月运行曲线、日运行曲线以及燃料电池发电的功率曲线等，之后由远程数据显示模块进行结果显示。所述的远程数据显示模块由中央显示器构成。同时，远程数据显示模块可以接受远程控制模块的控制，远程数据显示模块在接收到操作人员的操作后，如开机、关机、暂停、标定、修订、带载、卸载、开启氢气阀、关闭氢气阀、开启背压阀等，将操作命令传送给远程数据控制模块，远程数据控制模块将接收到的操作命令按照预先制定好的协议转换成相应的码值后通过远程数据处理单元的GPRS通讯模块向无人值守监控板卡的GPRS模块发送相应的操作指令，比如开机、停机、暂停、修订、标定、开氢气阀、关闭氢气阀、打开被压阀等，无人值守监控板卡的信息处理/通信单元根据接收到的指令进行相应的动作。

本发明所达到的效果如下：任意授权用户可以及时感知无人值守的燃料电池的数据和安全状态并可以及时采取措施如标定、修订和及时关阀等紧急措施，为保障燃料电池的安全、可靠和稳定运行以及相关居民和人员的安全提供有效的保障；同时用户可以通过远程数据处理模块获取统计和预警信息进行综合的管控。通过这种无人值守的通信用燃料电池监控系统的实施可以全方位地解决燃料电池现有的安全监控难、处理不及时、预警困难等现实问题。

Claims

1.一种无人值守的通信用燃料电池监控系统，其特征在于，所述的监控系统包括：无人值守监控板卡、远程数据模块，以及远程显示和控制模块；所述的无人值守监控板卡由现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分组成，现场数据采集/控制单元和信息处理/通信单元两部分通过CAN通讯模块相连接进行信息传输；所述的远程数据模块包含远程数据处理单元和远程数据存储单元，远程数据处理单元接收来自无人值守监控板卡传送来的燃料电池运行信息，通过对燃料电池运行信息进行处理，由远程数据存储单元进行存储；所述的远程显示和控制模块包括远程显示模块和远程控制模块，用于显示远程数据存储单元内存储的数据和接受终端用户对于无人值守监控板卡的操作；远程数据模块、远程显示模块和远程控制模块之间采用Internet通信。

2.按照权利要求1所述的无人值守的通信用燃料电池监控系统，其特征在于，所述的现场数据采集/控制单元包含：处理器、数据采集模块、控制模块、嵌入存储模块和CAN通讯模块；信息处理/通信单元包含中央处理器、CAN通信模块、GPRS通信模块、嵌入式Web服务器模块、嵌入式存储模块、μCOSII模块、摄像头模块，以及嵌入式显示和控制模块；所述的现场数据采集/控制单元的处理器通过数据采集模块获得燃料电池的实时运行参数和实时环境信息，通过CAN通信模块接收来自信息处理/通信单元的操作指令：通过控制模块对燃料电池的运行进行控制；处理器将采集到的燃料电池运行信息与燃料电池运行参数的安全运行阈值进行对比，判断燃料电池运行是否正常；如果燃料电池运行正常，处理器通过CAN通讯模块向无人值守监控板卡的信息处理/通信单元传送燃料电池运行参数；如果燃料电池运行发生异常，现场数据采集/控制单元通过控制模块对燃料电池执行相应的保护动作，并向信息处理/通信单元发出系统异常信息。

3.按照权利要求1所述的无人值守的通信用燃料电池监控系统，其特征在于，所述的信息处理/通信单元通过CAN总线模块接收所述的现场数据采集/控制单元采集到的系统运行信息与系统异常信息，通过摄像头模块获取燃料电池周围图像信息，对收集到的系统信息进行处理和发布；一方面发送给自身的中央处理器，进行处理后发送给嵌入式web服务器模块与嵌入式显示和控制模块，用于web浏览器显示和控制与本地的信息显示和控制；二是通过GPRS模块发送给远程数据模块进行数据存储、处理、显示和控制。嵌入式模块采用EEPROM的形式，uCOSII操作系统采用从网络下载的方式下载到无人值守监控板卡中。