CN113699558A - 基于stm32的水电解制氢设备冗余控制装置 - Google Patents

基于stm32的水电解制氢设备冗余控制装置 Download PDF

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赵燕晓
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杨金彭
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Abstract

本发明公开了一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，包括：双电源模块，包括主电源、备电源和供电电路；双MCU控制器模块、AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块和通讯模块组；在工作状态下，基于主电源掉电，备电源能自动切换为工作状态并报警；基于主MCU控制器故障，备MCU控制器能在切断主MCU控制器的电源后根据上一次接收到的目标信息自动切换至目标工作状态并报警。本发明的成本低、可靠性与集成度高、具备物联网功能，且在主控芯片出现问题时，可保证设备稳定运行。

Description

基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置
技术领域
本发明涉及水电解制氢设备控制技术领域，尤其涉及一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置。
背景技术
由于氢气具有易燃、易爆的特性，为了保证水电解制氢设备运行的稳定性，当前制氢设备均采用PLC装置控制整台设备自动化运行。但是PLC具有以下缺点：
(1)PLC体积大，在空间狭小、集成度很高的小型制氢设备上不适用；
(2)PLC成本很高，且其在小型制氢设备总成本中占比过高；
(3)PLC功能固化，在实现ModbusRTU协议、ModbusTCP协议、4G数据传输及远程控制功能时，一般需要添加相应模块或装置，大大增加了成本及体积。
虽然嵌入式技术能以极低的成本，方便快速地解决上述问题，但是使用单控制芯片作为制氢设备控制系统，难以满足高稳定性和可靠性的需求；冷备的冗余控制系统，由于备用控制芯片没有处于实时工作状态，在主控芯片出现故障时只能停机，并人工切换到备用芯片，这种形式依旧满足不了要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，用以解决现有中设备体积大、成本高、稳定性和可靠性不满足要求等难题。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供了一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，包括：双电源模块，包括主电源、备电源和供电电路；双MCU控制器模块，包括分别与所述双电源模块电连接的主MCU控制器和备MCU控制器，所述主MCU控制器能按照预设频率向所述备MCU控制器发送目标信息；AI采集模块，一端与水电解制氢设备中的多个传感器通过传感器信号隔离转换模块电连接，另一端与所述双MCU控制器模块电连接，所述AI采集模块能将所述多个传感器的信号处理后发送至所述双MCU控制器模块；AO输出模块，两端分别与所述双MCU控制器模块和所述制氢设备电连接；DO输出模块，能接收所述双MCU控制器模块发送来的控制信号并根据所述控制信号控制所述双电源模块中继电器组的工作状态以保证所述供电电路向外供电；DI输入模块，能将所述制氢设备发送来的模拟信号转换为数字信号后发送至所述双MCU控制器模块；通讯模块组，能与所述双MCU控制器模块电连接进行通讯；在工作状态下，基于所述主电源掉电，所述备电源能自动切换为工作状态并报警；基于所述主MCU控制器故障，所述备MCU控制器能在切断所述主MCU控制器的电源后根据上一次接收到的所述目标信息自动切换至目标工作状态并报警。
优选的，其中，所述通讯模块组包括能与云服务器进行通讯的4G通讯模块，在工作状态下，所述4G通讯模块能将所述双MCU控制器模块上传的运行数据发送至所述云服务器，且所述4G通讯模块能将从所述云服务器发送来的控制信号发送至所述双MCU控制器模块。
优选的，其中，所述通讯模块组还包括：分别与所述双MCU控制器模块和工业显示控制系统电连接的485通讯模块，所述485通讯模块能实现TTL信号与串口485信号的相互转换；和/或分别与所述双MCU控制器模块和所述工业显示控制系统电连接的以太网通讯模块，所述以太网通讯模块能通过SPI与所述双MCU控制器模块进行通讯。
优选的，其中，所述AI采集模块采用高精度A/D转换芯片，且其能将接收到0V至5V的模拟信号处理为数字信号；和/或所述AO输出模块采用高精度D/A转换芯片，且其能将来自所述双MCU控制器模块的多个数字信号转换为能分别控制所述制氢设备中各部件的多个模拟信号。
优选的，其中，所述DO输出模块的功能利用IO扩展芯片的输出功能实现，所述DI输入模块的功能利用所述IO扩展芯片的输入功能实现，且所述DO输出模块中利用光耦隔离芯片驱动所述继电器组。
优选的，其中，所述继电器组包括第一继电器、第二继电器，在初始状态下，所述第一继电器和所述第二继电器均处于断开状态；在所述主电源处于供电状态下，所述主电源、所述第一继电器的常开电路和所述第二继电器中的常开电路相连通以形成所述供电电路；在所述备电源处于供电状态下，所述备电源、所述第一继电器的常闭电路和所述第二继电器中的常闭电路相连通以形成所述供电电路。
优选的，其中，所述双电源模块还包括在所述主电源和所述备电源切换过程中能向所述双MCU控制器模块供电的超级电容。
优选的，其中，还包括设置在所述双电源模块与所述主MCU控制器连接电路上的开关电路，且所述备MCU控制器能控制所述开关电路的通断。
优选的，其中，所述AI采集模块、所述AO输出模块、所述DO输出模块、所述DI输入模块与所述双MCU控制器模块均通过I2C进行通讯。
优选的，其中，所述双MCU控制器模块上还设置有多个分别与所述AI采集模块、所述AO输出模块、所述DO输出模块、所述DI输入模块一一对应的报警单元。
本发明至少具有以下特点及优点：
本发明的成本低、可靠性与集成度高、具备物联网功能，且在主控芯片出现问题时，可保证设备稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置的结构框图；
图2为本发明双电源模块的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明便于理解，现对其中部分术语进行解释与说明：
STM32：一种嵌入式单片机；
AI:把传感器的模拟量转换成控制器能识别的数字信号；
AO：把控制器的输出数字信号转换成外部可接收的模拟量信号；
DI:把生产过程中的开关量信号转换成控制器可识别的信号；
DO：把控制器的二进制代码表示的开关量信号，转换成生产过程进行控制的开关信号。
本发明提供了一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，请参见图1和图2，包括双电源模块、双MCU控制器模块、AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块及通讯模块组。
具体的，双电源模块包括主电源、备电源和供电电路；双MCU控制器模块包括分别与双电源模块电连接的主MCU控制器和备MCU控制器，主MCU控制器能按照预设频率向备MCU控制器发送目标信息；AI采集模块的一端与水电解制氢设备中的多个传感器通过传感器信号隔离转换模块电连接，AI采集模块的另一端与双MCU控制器模块电连接，AI采集模块能将多个传感器的信号处理后发送至双MCU控制器模块；AO输出模块的两端分别与双MCU控制器模块和制氢设备电连接；DO输出模块能接收双MCU控制器模块发送来的控制信号并根据控制信号控制双电源模块中继电器组的工作状态以保证供电电路向外供电；DI输入模块能将制氢设备发送来的模拟信号转换为数字信号后发送至双MCU控制器模块；通讯模块组能与双MCU控制器模块电连接进行通讯；在工作状态下，基于主电源掉电，备电源能自动切换为工作状态并报警；基于主MCU控制器故障，备MCU控制器能在切断主MCU控制器的电源后根据上一次接收到的目标信息自动切换至目标工作状态并报警。
其中，传感器信号隔离转换模块负责将不同传感器的模拟信号隔离，并统一转换为0V-5V的模拟信号。具体的，传感器信号隔离转换模块包括4mA-20mA电流信号转0V-3V电压信号、0V-10v电压信号转0V-3V电压信号、0mV-75mV电压信号转0V-3V电压信号的功能。
本发明能安全可靠地控制水电解制氢设备，同时该装置具备低成本、高可靠性、高集成度、支持Modbus协议、4G数据传输及远程控制功能的特点。
本领域的技术人样应当明白，双MCU控制器模块是整个装置的控制中心，采用双MCU热备冗余形式的设计能用于控制设备自动化运行及通信，正常时主MCU控制器参与所有的控制及通信,并且以一定频率向备用MCU控制器发送心跳数据包(即目标信息)，当主MCU控制器故障时，备MCU控制器切断主MCU控制器的电源，接手整个设备的运行，并发出报警。
在一些实施例中，目标信息为包括主MCU控制器的相关运行参数的心跳数据包。当主MCU控制器失效时，备MCU控制器在一定时间接收不到来自主MCU控制器的心跳数据包，会判定主MCU控制器失效(即故障)，备用MCU控制器会根据上一次接收的心跳包数据，接收并控制设备的运行。
在一些实施例中，请参见图1，通讯模块组包括能与云服务器进行通讯的4G通讯模块，在工作状态下，4G通讯模块能将双MCU控制器模块上传的运行数据发送至云服务器，且4G通讯模块能将从云服务器发送来的控制信号发送至双MCU控制器模块。本发明的该4G通讯模块通过串口进行初始化配置，并通过串口与云服务器进行远程TCP通讯。
在一些实施例中，请参见图1，通讯模块组还包括分别与双MCU控制器模块和工业显示控制系统电连接的485通讯模块，485通讯模块能实现TTL信号与串口485信号的相互转换。本发明采用485通讯模块进行通信能实现ModbusRTU的功能，具有布线简单、实时性强、没有延时，用于工业控制比较多，但是容易受干扰，传输距离1200米，如果增加传输距离，要加485中继器，但是一般不会超过六千米。
在另一些实施例中，请参见图1，通讯模块组还包括分别与双MCU控制器模块和工业显示控制系统电连接的以太网通讯模块，以太网通讯模块能通过SPI与双MCU控制器模块进行通讯，从而实现ModbusTCP的功能。本发明采用该种设计进行通讯具有传输数据量大，此外因为其是基于不可靠环境下的可靠传输，不受干扰，但是有延时，在实时性要求高的地方，一般不使用。传输距离如果通过互联网传输的话，没有限制。
在一些优选实施例中，请参见图1，通讯模块组包括4G通讯模块、485通讯模块和以太网通讯模块，本发明通过该种设计，便于用户根据实际需求选择相应的模块进行通讯，从而提升了装置的友好性与环境适应性。进一步的，4G通讯模块、485通讯模块和以太网通讯模块均采用可插拔式的形式，因此各模块具有方便后期维修、安装，降低装置使用成本的优点。
在一些实施例中，AI采集模块采用高精度A/D转换芯片，且其能将接收到0V至5V的模拟信号处理为数字信号；在另一些实施例中，AO输出模块采用高精度D/A转换芯片，且其能将来自双MCU控制器模块的多个数字信号转换为能分别控制制氢设备中各部件的多个模拟信号。
进一步的，DO输出模块的功能利用IO扩展芯片的输出功能实现，DI输入模块的功能利用IO扩展芯片的输入功能实现，且DO输出模块中利用光耦隔离芯片驱动继电器组。具体的，DO输出模块采用光耦隔离芯片及MOSFET场效应管电路，通过光耦隔离芯片接收IO扩展芯片的控制信号，进而控制MOSFET场效应管的通断，提高控制电路的电流上限，进而直接驱动继电器组中的相应线圈。
在一些实施例中，请参见图2，继电器组包括第一继电器、第二继电器，在初始状态下，第一继电器和第二继电器均处于断开状态；在主电源处于供电状态下，主电源、第一继电器的常开电路和第二继电器中的常开电路相连通以形成供电电路(即第一继电器中端口2和端口3连通、第二继电器中端口2和端口3连通)；在备电源处于供电状态下，备电源、第一继电器的常闭电路和第二继电器中的常闭电路相连通以形成供电电路(即第一继电器中端口1和端口2连通、第二继电器中端口1和端口2连通)。
进一步的，双电源模块还包括在主电源和备电源切换过程中能向双MCU控制器模块供电的超级电容。本发明通过该种设计，能够保证在主电源、备电源切换过程中，可短暂为双MCU控制器模块供电，从而实现稳定地为整个控制装置供电。
更进一步的，基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置还包括设置在双电源模块与主MCU控制器连接电路上的开关电路，且备MCU控制器能控制开关电路的通断。
在一些实施例中，AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块与双MCU控制器模块均通过I2C进行通讯。在工作状态下，通过设置AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块不同的地址，依次循环发送命令，实现控制过程。进一步的，AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块通过设置不同的地址和循环次数，可任意设置AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块的数量，进而适配控制点不同的各型设备。
在一些实施例中，双MCU控制器模块上还设置有多个分别与AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块一一对应的报警单元。本发明通过该种设计能够保证相应模块在与双MCU控制器模块通讯失败时，在相应电路板上进行报警。在一些实施例中，报警单元为状态指示灯。进一步的，报警单元具有声光报警的功能，从而便于提醒用户查看报警信息。
本领域的技术人员应当明白，
下面对发明的做进一步的介绍，请参见图1和图2：
本发明的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置主要包括以下部分：双电源模块、双MCU控制器模块、AI采集模块、AO输出模块、DO输出模块、DI输入模块、传感器信号隔离转换模块、4G通讯模块、485通讯模块、以太网通讯模块。
其中，双电源模块具有主备两个供电接口，由两个继电器(即第一继电器和第二继电器)控制24V主备电源的选择，双电源模块内部采用集成的DC-DC电源模块，将24V直流电源转换为5V直流电源，通过电平转换IC，将5V转换为3.3V，供装置各部分电路模块使用。
如图1所示，系统开始工作后，MCU1为主控芯片(即主MCU控制器)，其进行水电解制氢设备的实时控制；MCU2为备用芯片(即备MCU控制器)，其进行与MCU1通过串口进行实时数据传输，MCU1将当前设备运行参数(即目标信息)传输给MCU2，一旦超过一定时间没有接收到信号，MCU2判定MCU1失效，立即切断MCU1的电源，并接开启控制。本发明通过判断MCU2是否接收到MCU1的目标信息，从而实现监督MCU1是否失效的功能。
MCU(即双MCU控制器模块中的主MCU控制器、备MCU控制器)通过I2C，与AI采集模块中的高精度A/D转换芯片、AO输出模块中的高精度D/A转换芯片、DI输入模块及DO输出模块中的IO扩展芯片通讯，从而控制水电解制氢设备的正常运行。
DO输出模块中的IO扩展芯片能控制光耦芯片(即光耦隔离芯片)的导通及断开，从而通过光耦芯片控制场效应管的开关提高控制功率，进而直接控制继电器组中相应线圈的通断，而继电器组又进一步的控制着水电解制氢设备的水泵、电磁阀等开关点的启停。
485通信模块采用TTL转485的双向透传模块，通过透传模块参与控制的MCU就可以直接通过串口引脚与外部485设备通信。以太网通信模块采用以太网通信IC，设计外围电路后，通过SPI与MCU进行通信。4G上网模块插上可上网的SIM卡，通过MCU的TTL引脚进行初始化目标服务器网址及端口后，即可与云服务器进行双向通信。
本发明在稳定可靠地实现传统水电解制氢设备PLC功能的基础上，可以极大地减小控制装置体积，提高整个设备集成度，并且传感器信号隔离转换模块、4G物联网模块、485通讯模块、以太网通信模块等功能已经集成到本装置上，在工业应用中，直接支持ModbusRTU、ModbusTCP协议，可方便快捷地接入工业控制系统，支持4G上网，方便快捷地实现远程控制、数据上云的功能。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，包括：
双电源模块，包括主电源、备电源和供电电路；
双MCU控制器模块，包括分别与所述双电源模块电连接的主MCU控制器和备MCU控制器，所述主MCU控制器能按照预设频率向所述备MCU控制器发送目标信息；
AI采集模块，一端与水电解制氢设备中的多个传感器通过传感器信号隔离转换模块电连接，另一端与所述双MCU控制器模块电连接，所述AI采集模块能将所述多个传感器的信号处理后发送至所述双MCU控制器模块；
AO输出模块，两端分别与所述双MCU控制器模块和所述制氢设备电连接；
DO输出模块，能接收所述双MCU控制器模块发送来的控制信号并根据所述控制信号控制所述双电源模块中继电器组的工作状态以保证所述供电电路向外供电；
DI输入模块，能将所述制氢设备发送来的模拟信号转换为数字信号后发送至所述双MCU控制器模块；
通讯模块组，能与所述双MCU控制器模块电连接进行通讯；
在工作状态下，基于所述主电源掉电，所述备电源能自动切换为工作状态并报警；基于所述主MCU控制器故障，所述备MCU控制器能在切断所述主MCU控制器的电源后根据上一次接收到的所述目标信息自动切换至目标工作状态并报警。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述通讯模块组包括能与云服务器进行通讯的4G通讯模块，在工作状态下，所述4G通讯模块能将所述双MCU控制器模块上传的运行数据发送至所述云服务器，且所述4G通讯模块能将从所述云服务器发送来的控制信号发送至所述双MCU控制器模块。
3.根据权利要求2所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述通讯模块组还包括：
分别与所述双MCU控制器模块和工业显示控制系统电连接的485通讯模块，所述485通讯模块能实现TTL信号与串口485信号的相互转换；和/或
分别与所述双MCU控制器模块和所述工业显示控制系统电连接的以太网通讯模块，所述以太网通讯模块能通过SPI与所述双MCU控制器模块进行通讯。
4.根据权利要求1所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述AI采集模块采用高精度A/D转换芯片，且其能将接收到0V至5V的模拟信号处理为数字信号；和/或
所述AO输出模块采用高精度D/A转换芯片，且其能将来自所述双MCU控制器模块的多个数字信号转换为能分别控制所述制氢设备中各部件的多个模拟信号。
5.根据权利要求4所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述DO输出模块的功能利用IO扩展芯片的输出功能实现，所述DI输入模块的功能利用所述IO扩展芯片的输入功能实现，且所述DO输出模块中利用光耦隔离芯片驱动所述继电器组。
6.根据权利要求1所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述继电器组包括第一继电器、第二继电器，在初始状态下，所述第一继电器和所述第二继电器均处于断开状态；在所述主电源处于供电状态下，所述主电源、所述第一继电器的常开电路和所述第二继电器中的常开电路相连通以形成所述供电电路；在所述备电源处于供电状态下，所述备电源、所述第一继电器的常闭电路和所述第二继电器中的常闭电路相连通以形成所述供电电路。
7.根据权利要求1所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述双电源模块还包括在所述主电源和所述备电源切换过程中能向所述双MCU控制器模块供电的超级电容。
8.根据权利要求7所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，还包括设置在所述双电源模块与所述主MCU控制器连接电路上的开关电路，且所述备MCU控制器能控制所述开关电路的通断。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述AI采集模块、所述AO输出模块、所述DO输出模块、所述DI输入模块与所述双MCU控制器模块均通过I2C进行通讯。
10.根据权利要求9所述的基于STM32的水电解制氢设备冗余控制装置，其特征在于，所述双MCU控制器模块上还设置有多个分别与所述AI采集模块、所述AO输出模块、所述DO输出模块、所述DI输入模块一一对应的报警单元。
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