Автоматизированная сильноточная система зарядки-разрядки аккумуляторных батарей

Автоматизированная система заряда аккумуляторных батарей, содержащая управляющий компьютер и М функциональных модулей, каждый из которых имеет стабилизированный силовой источник питания и зарядно-коммутационный блок, включающих в себя коммутаторы силовых цепей подключения к аккумуляторам батареи, устройство управления коммутаторами и измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, температуры электролита, уровня электролита. Система управления и стабилизации тока заряда и разряда, устройства управления коммутаторами и измерения напряжения, температуры, уровня электролита собраны на основе стандартизованных устройств удаленного и распределенного сбора данных и управления, каждый из которых имеет адрес и способен работать по командам управляющего компьютера. Техническим результатом является (а) расширение функциональных возможностей зарядного устройства, которое обеспечивает проведение зарядно-разрядных циклов разного вида, (например, контрольных, тренировочных и др.), для разных типов аккумуляторов, в том числе, сильноточных, используемых в подвижном составе железнодорожного транспорта или в качестве тяговых аккумуляторов электротранспорта, (б) упрощение, удешевление и повышение надежности работы электронной схемы из-за отсутствия в модулях контроллеров и локальных сетей.

Полезная модель «Автоматизированная сильноточная система зарядки-разрядки аккумуляторных батарей» относится к электроизмерительной технике и автоматике и может быть использовано для организации автоматизированных технологических процессов, включающих зарядку, разрядку, тренировку, разбраковку аккумуляторов разных типов, собранных в аккумуляторные батареи и предназначенных для работы, например, в подвижных составах железнодорожного транспорта, а также для организации автоматизированного учета процесса обслуживания и эксплуатации батарей.

Известно устройство Автоматизированная система для испытаний и тренировки серно-натриевых аккумуляторов (СНА) (www.elin.ru/akkam.htm). Система состоит из компьютера оператора-технолога и 4-х стоек с электронным оборудованием. Каждая из стоек содержит: контроллер с коммутатором, нормализаторами и АЦП, пульт управления контроллером сбора значений измеряемых параметров, 16-ти силовых блоков для задания токовых режимов СНА, бокса для загрузки тестируемых аккумуляторов и специализированные источники питания. Контроллеры стоек фиксируют сигналы от 16-ти токовых и 16-ти потенциальных каналов характеризующих состояние СНА, 4-х термопарных каналов отслеживающих температурный режим бокса, а также формируют сигналы управления для всех силовых блоков.

Недостатком системы является жестко зашитая в контроллер программа, что не позволяет оперативно менять настройки техпроцесса и внедрять новые виды обслуживания аккумуляторов.

Наиболее близким к предложенному является автоматизированная система заряда аккумуляторных батарей (RU 2183887 С2, Н02 J7/00, 20.06.2002). Система заряда содержит объединенные общей шиной адресов и данных ЭВМ и М функциональных модулей, каждый из которых имеет силовой и дополнительный источники питания, и объединенные собственной локальной шиной адресов и данных контроллер, аналого-цифровой преобразователь и 1 - J зарядно-коммутационных блоков со стабилизаторами тока и коммутаторами для подключения зарядных ячеек и световых индикаторов. ЭВМ выполнена с возможностью контроля степени заряженности аккумуляторных батарей по напряжению релаксации на выводах коммутаторов.

Устройство используется для зарядки аккумуляторов, предназначенных для шахтных головных светильников, фиксированным слабым током 1 А и не может быть использовано для зарядки-разрядки сильноточных аккумуляторных батарей разной емкости (с током зарядки-разрядки 10-70 А), например, для подвижного состава железнодорожного транспорта.

Этот недостаток связан:

1) с использованием для управления общей и локальной шины адресов и данных. Такие многопроводные шины обладают недостаточной помехозащищенностью в условиях электрических помех, возникающих при коммутации сильных токов;

2) с отсутствием связи между стабилизированным источником питания и управляющим компьютером, что не позволяет программе автоматически управлять величиной тока зарядки-разрядки в процессе проведения тренировочных циклов, предусматривающих изменение тока зарядки-разрядки в цикле и оперативно менять эти величины при смене типа аккумулятора.

Назначением предлагаемой полезной модели является обеспечение автоматизированного технологического процесса для сильноточных аккумуляторных батарей, включающего проведение зарядно-разрядных циклов с программным управлением величиной стабилизированного тока зарядки-разрядки (увеличением или уменьшением) на каждом этапе цикла, а также для организации автоматизированного учета процесса обслуживания и эксплуатации батарей.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве исключаются локальная и общая шины адресов и данных, контроллер и аналого-цифровой преобразователь, а вместо них используются стандартизованные устройства удаленного и распределенного сбора данных и управления, связанные с управляющим компьютером двухпроводной локальной сетью. При этом улучшается помехозащищенность сети в условиях повышенных помех и повышается скорость обмена данными с компьютером, а также исключается процедура перепрограммирования контроллера при необходимости изменения параметров технологического процесса, что упрощает работу и повышает ее надежность.

Кроме этого, добавлена система управления током зарядки-разрядки, выполненная также на основе стандартизованных устройств удаленного и распределенного сбора данных и управления, подключенных к общей локальной двухпроводной сети, позволяющая программным путем с помощью компьютера плавно изменять, задавать и поддерживать нужное для техпроцесса значение тока зарядки-разрядки в зарядной камере, что обеспечивает гибкое и независимое для каждого функционального модуля управление технологическим процессом зарядки-разрядки аккумуляторов с помощью программ компьютера.

Предложенная автоматизированная система состоит из управляющего компьютера (ПК), который может быть отнесен на расстояние до 500 м и М функциональных модулей. Схема одного модуля изображена на рисунке.

Модуль состоит из зарядно-разрядного агрегата (ЗРА) и зарядной камеры (ЗК), выполненных в отдельных корпусах и разнесенных друг от друга.

ЗРА состоит из стабилизированного источника питания (ИП), многоканального устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ), предназначенного для управления током и многоканального устройства аналогового ввода (УАВ) для измерения тока.

ЗК состоит из кассеты для N аккумуляторов, собранных в аккумуляторную батарею АБ, и зарядно-коммутационного блока (ЗКБ). ЗКБ содержит набор N реле (Р) для коммутации тока зарядки-разрядки каждого аккумулятора, К многоканальных устройств дискретного ввода-вывода (УДВВ), предназначенных для управления реле, и L многоканальных устройств аналогового ввода (УАВ), предназначенных для измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, а также для измерения температуры электролита, уровня электролита в аккумуляторах и т.д. Количество К устройств УДВВ, входящих в состав 3КБ, определяется количеством каналов ввода-вывода и числом аккумуляторов. Количество L устройств УАВ, входящих в состав ЗКБ, определяется количеством каналов аналогового ввода и числом аккумуляторов.

Все устройства дискретного ввода-вывода и устройства аналогового ввода относятся к классу стандартизованных устройств удаленного и распределенного сбора данных и управления, подключены к локальной двухпроводной сети (на рисунке показана двойной линией) и через нее связаны с компьютером. Команды от компьютера передаются по адресу данного устройства. Обратно в виде строки текста передаются результаты измерений. Инициатором общения всегда является компьютер.

Система работает следующим образом. В программу компьютера вводятся данные о технологическом процессе, включающие в себя последовательность процессов зарядки-разрядки, длительность каждого процесса, условие его завершения. Перед началом работы по команде компьютера производятся измерения напряжения на выводах всех аккумуляторов батареи, и производится отбраковка и отключение неисправных. Номера неисправных аккумуляторов выводятся на дисплей ПК. После предварительной разбраковки по команде компьютера включается источник питания и программным путем устанавливается необходимое значение тока. Также производится корректировка тока и во время техпроцесса, когда он изменяется из-за изменения ЭДС батареи.

Во время техпроцесса периодически измеряется ток и напряжения на аккумуляторах. По результатам измерения программа делает вывод о продолжении/прекращении процесса, переходе к следующему процессу технологического цикла, корректировке тока, возникновении аварийной ситуации, отключении аккумулятора и т.д. При возникновении аварийной ситуации - отключении энергии или управляющего компьютера, дальнейшее продолжение техпроцесса возможно после ликвидации аварийной ситуации с того места, на котором он был остановлен. Результаты выполненного техпроцесса сохраняются в базе данных для последующего учета истории эксплуатации батареи и формирования протокола техпроцесса.

Была создана автоматизированная система зарядки-разрядки сильноточных аккумуляторных батарей подвижного состава железнодорожного транспорта, состоящая из управляющего компьютера и 4 функциональных модулей, включающих ЗРА и зарядную камеру с кассетой для батареи на 45 аккумуляторов (всего 180 аккумуляторов). Использовались щелочные аккумуляторы емкостью 55-70 Ач, зарядный ток до 70 А.

Для управления и сбора данных использовались устройства дискретного ввода-вывода и устройства аналогового ввода, относящиеся к классу стандартизованных устройств удаленного и распределенного сбора данных и управления серии ADAM-4000 производства фирмы ADVANTECH или I-7000 производства фирмы ICР DAS (см. www.ipc2u.ru).

Управление током ЗРА осуществлялось устройством дискретного ввода-вывода ADAM-4055, измерение тока - устройством аналогового ввода ADAM-4017.

В состав зарядной камеры входит зарядно-коммутационный блок, содержащий набор 45 реле TN03K04 для коммутации тока зарядки-разрядки каждого аккумулятора с многоканальными устройствами дискретного ввода-вывода ADAM-4055, предназначенными для управления реле, и система измерения, содержащая 8 многоканальных устройств аналогового ввода I-7017, предназначенных для измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, а также для измерения температуры электролита и уровня электролита в аккумуляторах.

Все устройства дискретного ввода-вывода и устройства аналогового ввода подключены к локальной двухпроводной сети (типа «витая пара») и через нее связаны с компьютером через последовательный СОМ-порт. Команды от компьютера передаются в виде строки текста по адресу данного устройства по протоколу RS-485. Обратно в виде строки текста передаются результаты измерений.

Периодичность цикла опроса устройств компьютером при этом составляла 20 с.

Для обеспечения необходимой скорости обмена данными один СОМ-порт обслуживает два функциональных модуля. Для управления четырьмя и более модулями используется PCI - карта С518 (www.adlinktech.com), добавляющая до 8 дополнительных СОМ-портов, и обеспечивающая работу с внешними устройствами по протоколу RS-485.

Система обеспечивает одновременное автоматическое проведение технологических циклов на 4 батареях аккумуляторов разных типов, запись результатов в базу данных.

Таким образом, предложенная автоматизированная система заряда аккумуляторных батарей характеризуется расширенными функциональными возможностями. В данном случае надежно и эффективно обеспечивается выполнение разнообразных технологических процессов с аккумуляторными батареями разных типов в автоматическом режиме, улучшение эксплуатационных характеристик АБ, обеспечивается учет и экономия рабочего времени персонала.

1. Устройство автоматизированной системы заряда аккумуляторных батарей, содержащее управляющий компьютер и М функциональных модулей, каждый из которых имеет стабилизированный силовой источник питания и зарядно-коммутационный блок, включающих в себя коммутаторы силовых цепей подключения к аккумуляторам батареи, устройство управления коммутаторами и измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, температуры электролита, уровня электролита, отличающееся тем, что система управления и стабилизации тока заряда и разряда, устройства управления коммутаторами и измерения напряжения, температуры, уровня электролита собраны на основе стандартизованных устройств удаленного и распределенного сбора данных и управления, каждый из которых имеет адрес и способен работать по командам управляющего компьютера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все устройства удаленного и распределенного сбора данных и управления всех функциональных модулей соединены между собой и с управляющим компьютером с помощью локальной двухпроводной сети, при этом отсутствуют контроллеры функциональных модулей и локальная магистраль адресов и данных в каждом модуле.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стабилизированный источник питания снабжен системой управления и стабилизации токами заряда и разряда, которая позволяет программным путем с помощью компьютера изменять и поддерживать необходимое значение тока зарядки-разрядки.