CN204721085U - 一种后备式ups电源管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种后备式UPS电源管理系统，该系统包括UPS电源、数据采集端、网络中继站与控制终端，所述数据采集端采集UPS电源工作信息传送给网络中继站；所述网络中继站包括以太网交换机与汇聚交换机，以太网交换机接入数据采集端，以太网交换机通过汇聚交换机与控制终端进行通信。所述UPS电源包括电源处理模块、电量测量模块与处理器模块，所述电源处理模块对接入的市电电压进行处理后给负载供电，所述处理器模块与电源处理模块连接，所述电量测量模块由处理器模块驱动接入电源处理模块读取电量；处理器连接温度测量模块和以太网模块，以太网模块作为UPS电源与工业以太网的接口将UPS电源接入系统网络。
Description
技术领域
本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种后备式UPS电源管理系统。
背景技术
一种后备式UPS电源管理系统，属电源技术领域，具体设计一种智能化的后备式UPS电管理系统。UPS即不间断电源系统，其主要工作机制是电网供电正常时接入电网电压滤波后直接给负载供电，并给其蓄电池充电，当电网断电时由蓄电池组提供能量，逆变电路开始工作将蓄电池的直流电转变为交流电给负载提供电源。后备式UPS电源属UPS电源里一种也是工业中最常用的一种，其主要应用于信息产业、IT行业、交通、金融行业、航空航天工业等计算机信息系统、通信系统、数据网络中心等的安全保护问题。由于UPS为负载提供了主、备两套供电系统，使其能确保上述重要行业中的供电安全。传统的UPS电源大都是独立分布式的，不能组成一个电源系统，如果需要大量使用UPS时必会给管理和维修带来极大麻烦，本发明提供的后备式UPS用工业以太网将多组UPS电源连接成一个系统，通过LABVIEW上位机终端来实现对每组电源的监控与预警，并且终端可以实现发送控制命令控制电源的运行状态、对故障电源组的定位、远程读取UPS电源蓄电池电量、以及将信息共享给GSM模块实现无人管理等功能。传统UPS都不具备这些功能，如果本实用新型应用于诸如大型机房供电、边境地区监控设备供电等需要大量用到UPS的地方，将为确保这些设备的供电安全提供有力保障，而且为这些设备的电源维修与管理提供了极大的方便。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本实用新型提出一种后备式UPS电源管理系统，通过提供的后备式UPS用工业以太网将多组UPS电源连接成一个系统，通过LABVIEW上位机终端来实现对每组电源的监控与预警，具有实现发送控制命令控制电源的运行状态、对故障电源组的定位、远程读取UPS电源蓄电池电量、以及将信息共享给GSM模块实现无人管理等功能。
为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：该系统包括UPS电源、数据采集端、网络中继站与控制终端，所述数据采集端采集UPS电源工作信息传送给网络中继站；所述网络中继站包括以太网交换机与汇聚交换机，以太网交换机接入数据采集端，以太网交换机通过汇聚交换机与控制终端进行通信。
所述控制终端包括LABVIEW上位机和GSM模块，所述GSM模块通过USB接口与LABVIEW上位机通信进行数据共享。
所述UPS电源包括电源处理模块、电量测量模块与处理器模块，所述电源处理模块对接入的市电电压进行处理后给负载供电，所述处理器模块与电源处理模块连接，所述电量测量模块由处理器模块驱动接入电源处理模块读取电量；处理器连接温度测量模块和以太网模块，所述以太网模块作为UPS电源与工业以太网的接口将UPS电源接入系统网络。
所述温度测量模块安装于UPS电源机箱内，用于测量UPS电源机箱温度。
所述电源处理模块包括蓄电池充电电路、蓄电池、逆变器、切换继电器、滤波电路，所述蓄电池电路接入市电后与蓄电池连接，所述蓄电池与逆变器连接，逆变器接入切换继电器，切换继电器分别与滤波电路和处理器控制接口连接，滤波电路分别与纹波检测电路和整流滤波电路连接，所述纹波检测电路与处理器控制接口连接，整流滤波电路与降压电路连接。所述逆变器包括升压电路与逆变电路，升压电路采用开关电源控制芯片SG3525，逆变电路采用纯正弦波逆变芯片EG8010。
所述管理系统的UPS电源包括主电源工作模式和备用电源工作模式，所述主电源工作模式在市电电网工作正常时市电由切换继电器经滤波电路处理后直接给负载供电，此时纹波检测电路检测输出电压的纹波，切换继电器反馈电源工作模式并且通过处理器控制接口将信息传送给处理器模块；市电在给负载供电的同时通过蓄电池充电电路给蓄电池充电，充电满后自动断开充电电路。所述备用电源工作模式在市电电网断电时切换继电器切换系统工作电路由蓄电池供电，蓄电池通过逆变器将直流电转换成交流电经滤波电路后给负载供电；将电源工作模式与输出电压纹波参数传送给处理器，通过电量读取电路与电量测量模块将蓄电池剩余电量传送给处理器，从而实现蓄电池剩余电量的监控。
本实用新型有益效果是:本实用新型旨在提供一种中等功率的后备式UPS电源及其管理系统，主要用于大量需要后备式UPS电源的场所如大型机房，其利用以太网传输的方式将分布独立式的UPS电源全部连接组成一个电源系统，确保了所需场所的用电供电安全，提高了电源系统的管理效率，节省了维修人力成本，而且其成本低，使用方便，具有很好的市场的前景。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式的系统原理框图。
图2是本实用新型的具体实施方式的GSM模块原理框图。
图3是本实用新型的具体实施方式的UPS电源原理框图。
图4是本实用新型的具体实施方式的电源处理模块原理框图。
图5是本实用新型的具体实施方式的驱动电路原理图。
图6是本实用新型的具体实施方式的逆变全桥电路原理图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
一种后备式UPS电源管理系统包括UPS电源、数据采集端、网络中继站与控制终端，所述数据采集端为工业以太网络，其采集UPS电源工作信息传送给网络中继站；所述网络中继站包括以太网交换机与汇聚交换机，以太网交换机接入数据采集端的一条工业以太网络，然后汇聚交换机接入多组以太网交换机，最后汇聚交换机通过运营商网络接入Internet网络与远程控制终端通信；所述控制终端包括LABVIEW上位机和GSM模块，所述LABVIEW上位机为依赖于PC的用LABVIEW编写的上位机，所述GSM模块包括STM32处理器、USB接口与SIM900GSM模块，其通过USB接口与LABVIEW上位机通信实现数据共享；所述UPS电源包括电源处理模块、电量测量模块与处理器模块，所述电源处理模块对接入的市电电压进行处理后给负载供电，所述处理器模块与电源处理模块连接用来控制其内部电路工作，所述电量测量模块由处理器模块驱动，接入电源处理模块读取电量；并且处理器连接有温度测量模块和以太网模块，温度测量模块用来测量UPS电源机箱温度，以太网模块作为UPS电源与工业以太网的接口将UPS电源接入系统网络；所述电源处理模块包括蓄电池充电电路、蓄电池、逆变器、切换继电器、滤波电路等，所述蓄电池电路接入市电后连接有蓄电池，所述蓄电池后连接有电量读取电路与逆变器，逆变器接入切换继电器，切换继电器后连接有滤波电路与处理器控制接口，滤波电路后连接有纹波检测电路与整流滤波电路，纹波电路同样也接入处理器控制接口，整流滤波电路后接有降压电路对输出电压降压从而给处理器、以太网等模块供电；所述处理器控制接口与上述处理器模块连接通信，所述电量读取电路与上述电量测量模块连接；
本实用新型主要功能为通过LABVIEW上位机远程监控UPS电源工作时的工作模式、输出电压的纹波参数、蓄电池剩余电量、电源机箱工作温度等数据参数以及定位故障UPS电源，并且采用与GSM模块数据共享的方式实现系统的无人化管理。
本实用新型具体的工作流程为：后备式UPS电源有两种工作模式，即主电源工作模式与备用电源工作模式，主电源工作模式是指市电电网工作正常时市电由切换继电器经滤波电路处理后直接给负载供电，此时纹波检测电路检测输出电压的纹波，切换继电器反馈电源工作模式并且通过处理器控制接口将信息传送给处理器模块；市电在给负载供电的同时通过蓄电池充电电路给蓄电池充电，充电满后自动断开充电电路，这时由于切换继电器的控制作用，逆变器与负载无法形成回路不工作；备用电源工作模式是指市电电网断电时切换继电器切换系统工作电路由蓄电池供电，这时蓄电池通过逆变器将直流电转换成交流电经滤波电路后给负载供电；同主电源工作模式，此时也将电源工作模式与输出电压纹波参数传送给处理器，而且为了防止由于电源长期工作在备用电源状态下蓄电池电量不足而导致供电中断现象的发生，我们通过电量读取电路与电量测量模块将蓄电池剩余电量传送给处理器，从而实现蓄电池剩余电量的监控；为了防止电源因长期工作在高温状态下发生火灾，处理器通过驱动温度测量模块实时采集UPS电源机箱内温度；当处理器采集到上述所有信息后，其驱动以太网模块将信息传送到工业以太网络，在传送的过程中我们需要对每组UPS电源传送的信息做特殊处理，即在传送的信息中加入每个UPS电源的编号，这样远程控制终端接收到传送的信息时就能做出区分，而且当UPS电源出现故障时能快速锁定故障源，为维修和管理人员带来方便。每个UPS电源通过其以太网模块接入工业以太网络，一条工业以太网络上可以接入多组UPS电源，同样通过交换机之间的连接可以将多条工业以太网络汇聚依附运营商网络接入Internet网络，本实用新型在这里只给出一种网络传输解决方案，具体每条工业以太网络接入多少UPS电源以及汇聚交换机接入几条工业以太网络，可以根据实际应用时的UPS电源分布情况与网络运行情况做处理；远程控制终端是依赖于PC的用LABVIEW编写的上位机，我们通过登入设定的网址将上述信息在LABVIEW上位机面板上显示出来，LABVIEW上位机除了作显示面板用外，还可以发出控制命令用于控制处理器定点获取某个UPS电源的相关信息，同时LABVIEW上位机和GSM模块通过PC USB接口与GSM模块USB接口相互通信，实现信息数据共享；当管理人员不在值班的时候，上位机启动数据共享模式，管理人员在上位机上设置UPS电源工作异常预警参数，一旦UPS电源工作异常上位机就会显示警高提示同时将警示信息传输给GSM模块的STM32处理器，STM32处理器接收信息后做必要的甄别与判断然后驱动SIM900模块将警示信息通过短信的方式发送给管理人员，管理人员依据信息就可以迅速做出反应避免重大损失的发生；采用数据共享的方式使系统可以做到无人监管，同时极大的方便了管理人员，也为企业节约了人力成本。
本实用新型系统工作原理框图如图1、UPS电源组成原理框图如图3、图4；下面简述重要模块原理：
1、处理器模块与STM32处理器：处理器模块与STM32处理器都是以STM32单片机为核心的处理器，为了叙述方便做以区分，STM32单片机是一种成本较低应用广泛的32位单片机，其功能强大性价比高；本发明中处理器模块是UPS电源控制核心，用来驱动控制与其连接的各模块，STM32处理器主要用来控制SIM900模块工作。
2、切换继电器：切换继电器由继电器与其外围电路组成，当市电未断电时继电器不切换，相当于一根导线，当市电断电时继电器会切换到另一端从而使逆变器电路接通由蓄电池给负载供电，同时我们也可以通过处理器模块控制继电器切换。
3、蓄电池与逆变器：蓄电池采用一组4个12V蓄电池串联而成的蓄电池组作为备用电源，逆变器主要包括升压电路与逆变电路两部分。升压电路采用开关电源控制芯片SG3525，该芯片产生两路互补的PWM波控制电路升压，逆变电路采用纯正弦波逆变芯片EG8010，该芯片外接12MHz晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50Hz逆变，其输出的SPWM波经过IR2110驱动后控制逆变全桥的通断，从而将输入的直流电逆变成交流电，具体电路如图5、图6。
4、滤波电路与纹波检测电路：滤波电路用来滤除市电电压噪声给负载提供高质量电源，纹波检测电路用来测量输出电压的纹波，当纹波很大时会严重降低电源质量，这时我们需要将信息反馈给管理人员让其来维修电源。
5、整流滤波电路与降压电路：整流滤波电路采用整流桥与电容组成的滤波电路来将输出直流电压整流成直流，再通过由UC3842与变压器构成的降压电路将220V电压转换成3.3V直流电压给处理器模块，以太网模块等各模块供电。
6、以太网模块：以太网模块包括ENC28J60以太网控制器与RJ45以太网接口，ENC28J60是带有行业标准串行外设接口的独立以太网控制器，其符合IEEE802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制，它的数据传输速率高达10Mb/s。相比于其他以太网驱动芯片ENC28J60成本较低，传输速率完全满足本设计。以太网模块主要作用是将UPS电源接入工业以太网络，从而实现处理器模块与远程控制终端的通信。
7、温度测量模块：温度测量采用LM75A温度传感器，LM75A是一个高速I2C接口的温度传感器，可以在-55℃～+125℃的温度范围内将温度直接转换为数字信号，并可实现0.125℃的精度，其主要用来测量UPS电源机箱环境温度，防止因电源工作环境温度过高而引发故障。
8、电量测量模块：电量读取模块采用独立式电量计芯片DS2788，该芯片将计算电量所需的电池包参数和应用参数存储在片上EEPROM中，根据电量寄存器的内容，向主机报告在当前温度、放电速率、存储电荷以及应用参数下，剩余电量的保守估计，主机可通过单总线接口读取剩余电量信息。
9、SIM900A模块：本发明中GSM采用SIM900A芯片，其是SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块，工作频段双频：900/1800Mhz，可以低功耗实现语音、SMS(短信，不支持彩信)、数据和传真信息的传输。SIM900A模块主要用来将系统警示信息发送给管理人员，从而使管理人员能对系统故障做出快速反应。
10、LABVIEW上位机：LABVIEW上位机为用LABVIEW软件编写的上位机，LABVIEW即虚拟仪器开发环境，其是美国NI公司研发的一种采用图形化编程的软件，广泛应用在数据采集与测量以及控制领域，由于其是用软件编写的虚拟仪器来替代硬件仪器，可以为企业或研发部门节省大量成本与缩短产品研发周期。本发明采用LABVIEW编写上位机是借助于LABVIEW在界面设计方面的强大优势，为系统提供一种可视化效果好的操作面板。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种后备式UPS电源管理系统，其特征在于，该系统包括UPS电源、数据采集端、网络中继站与控制终端，所述数据采集端采集UPS电源工作信息传送给网络中继站；所述网络中继站包括以太网交换机与汇聚交换机，以太网交换机接入数据采集端，以太网交换机通过汇聚交换机与控制终端进行通信。
2.根据权利要求1所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述控制终端包括上位机和GSM模块，所述GSM模块通过USB接口与上位机通信进行数据共享。
3.根据权利要求1所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述UPS电源包括电源处理模块、电量测量模块与处理器模块，所述电源处理模块对接入的市电电压进行处理后给负载供电，所述处理器模块与电源处理模块连接，所述电量测量模块由处理器模块驱动接入电源处理模块读取电量；处理器连接温度测量模块和以太网模块，所述以太网模块作为UPS电源与工业以太网的接口将UPS电源接入系统网络。
4.根据权利要求3所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述温度测量模块安装于UPS电源机箱内，用于测量UPS电源机箱温度。
5.根据权利要求3所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述电源处理模块包括蓄电池充电电路、蓄电池、逆变器、切换继电器、滤波电路，所述蓄电池电路接入市电后与蓄电池连接，所述蓄电池与逆变器和电量读取电路连接，逆变器接入切换继电器，切换继电器分别与滤波电路和处理器控制接口连接，滤波电路分别与纹波检测电路和整流滤波电路连接，所述纹波检测电路与处理器控制接口连接，整流滤波电路与降压电路连接。
6.根据权利要求5所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述逆变器包括升压电路与逆变电路，升压电路采用开关电源控制芯片SG3525，逆变电路采用纯正弦波逆变芯片EG8010。
7.根据权利要求3所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述管理系统的UPS电源包括主电源工作模式和备用电源工作模式，所述主电源工作模式在市电电网工作正常时市电由切换继电器经滤波电路处理后直接给负载供电，此时纹波检测电路检测输出电压的纹波，切换继电器反馈电源工作模式并且通过处理器控制接口将信息传送给处理器模块；市电在给负载供电的同时通过蓄电池充电电路给蓄电池充电，充电满后自动断开充电电路。
8.根据权利要求7所述的后备式UPS电源管理系统，其特征在于，所述备用电源工作模式在市电电网断电时切换继电器切换系统工作电路由蓄电池供电，蓄电池通过逆变器将直流电转换成交流电经滤波电路后给负载供电；将电源工作模式与输出电压纹波参数传送给处理器，通过电量读取电路与电量测量模块将蓄电池剩余电量传送给处理器，从而实现蓄电池剩余电量的监控。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151021 Termination date: 20190630 |