CN116207820A - 一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路及处理方法。包括电源输入端口、电源输出端口、以太网输入输出接口、RS232/RS485输出接口、DO输出接口、内置电源管理电路、处理器及RTC时钟电路、检测电路等，可以以串联方式接入已安装设备的供电电源和设备之间；内置备用电源管理，确保内置备用电源的充电和温度保护，且主电源和备用电源为负载供电时无切换时间；串联接入方式和丰富多样的通信接口，可便捷的实现工业现场设备的掉电告警功能升级改造。本发明支持掉电告警和关机告警，且支持带有时间戳的信息报文，通过灵活多样的工业通信端口传输，确保告警信息的准确可靠发送；通过关机告警信息指示现场设备进行关键数据存储，避免了应用数据丢失。

Description

一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路及处理方法

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，尤其涉及到一种适用于低温工业环境的油井数据采集与控制***中关键设备的掉电告警电路及处理方法，且涉及到备用电源管理技术。

背景技术

油气田物联网的建设和油井数据采集与传输***的大规模应用，在油井生产现场安装了大量的工业物联网采集控制与传输设备，如无线RTU、无线网关、无线IO、5.8G Mesh主干单元等等，且多为有源供电的关键控制和传输设备。当平台运行中心发现某个井口设备出现无数据故障时，需要安排人员现场巡查作业，而油井多分散且偏远，往返时间长，维护效率低，导致故障恢复时效性差。而大概率的故障原因为现场电源异常，需要再安排专业人员到现场维修。由于无法快速准确定位到故障原因，导致维护效率降低，降低了油井有效生产运行时间，并影响产量。

随着规模化应用和智能化油田对前端数据采集和设备状态管理需求的提升，设备的健康状态及告警信息作为重要信息需要实时的上传至管理平台，掉电告警信息就是其中重要的一项，以便及时准确的判定故障点和故障原因，提升维护效率和油井有效运行时间，降低维护成本和提升产量。

发明内容

本发明提供一种可适用于低温环境，集成电源管理功能的掉电告警模块设计，并且支持丰富的告警信息传输方式，可便捷快速地适配具有工业接口的任何设备内，可直接将原设备升级为支持掉电告警功能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，包括：

电源管理电路，用于感知备用电池组的环境温度，根据所述环境温度实现充电温度控制；

检测电路，用于通过分压电阻网络实现门限，输出电池组工作信号和电量耗尽信号发送至MCU处理器电路；

MCU处理器电路，用于根据电池组工作信号和电量耗尽信号分别产生BATON中断和BATDOWN中断，进行掉电告警信息的处理。

所述电源管理电路，包括：

充电管理芯片，用于通过分压串联网络检测备用电池组的环境温度，输出可变电压至监测电路以实现充电温度控制，并通过状态指示与检测电路进行状态指示；

所述充电管理芯片的电压输入端通过二极管D1接入主电源电压；电压输出端通过二极管D2输出可变电压至检测电路，还通过备用电池组接地；所述充电管理芯片的状态信号输出端通过状态指示与检测电路输出充电状态；

分压串联网络，包括电阻R1、电阻R2与热敏电阻RT1；所述充电管理芯片的NTC输出端依次通过电阻R1、电阻R2接地，电阻R2并联有热敏电阻RT1；

所述备用电池组为磷酸铁锂电池组。

所述电压输出端通过二极管D2输出可变电压至电源变换电路，以使切换电路进行可变电压与电源变换电路输出电压的切换。

所述电压输出端通过二极管D2输出可变电压至内部供电电源处理电路，以实现MCU处理器电路以及与其连接的通信处理电路、以太网Switch电路的供电电源转换。

所述检测电路包含电压基准芯片U2，电压比较器U3、电压比较器U4，

所述电压基准芯片U2两个输入端分别接入所述电源管理电路输出的可变电压、分压电阻网络的输入端；

所述分压电阻网络包括电阻R3、电阻R4串联构成的第一分支、以及电阻R5、电阻R6串联构成的第二分支，所述第一分支与第二分支并联形成的两端节点，一端作为分压电阻网络的输入端，另一端接地；

所述电阻R3、电阻R4的中间节点与电压比较器U3第二输入端连接；电阻R5、电阻R6的中间节点与电压比较器U4第二输入端连接；所述电压比较器U3的第一输入端、电压比较器U4第一输入端均接入可变电压；所述电压比较器U3输出端BATON、电压比较器U4输出端BATDOWN与MCU处理器电路连接。

一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路实现方法，包括以下步骤：

当主电源输入电压高于内置备用电池组电压时，主电源通过电源管理电路给备用电池组充电，且同时给包括监测电路的外部设备供电；反之，则备用电池组不充电，且给包括监测电路的外部设备供电，以实现主电源、备用电池组供电无反应时间的切换。

所述监测电路通过分压电阻网络实现门限，包括以下步骤：

当可变电压DC_IN低于V1时，BATON输出有效，指示MCU处理器电路当前供电为备用电池组供电，主电源掉电；当可变电压DC_IN电压低于V2时，BATDOWN输出有效，指示MCU处理器电路备用电池组电量即将耗尽，需保存数据并关机。

一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路处理方法，包括以下步骤：

MCU处理器电路循环检测IO中断信息：

如判断为充电状态信号，则先获取实时时钟RTC时间，记录备用电池组状态变化信息；

如判断为BATON中断，为主电源掉电告警信号，则产生掉电告警信息，并依据配置的信息通信端口，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息；

如判断为BATDOWN中断，为电池组电量即将耗尽告警，则产生告警信息，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息。

如果配置当前输出端口为DO时，则MCU处理器电路驱动DO状态有效；

如果配置当前输出端口为串口时，则MCU处理器电路通过UART接口发送告警信息报文；

如果配置当前输出端口为以太网接口时，MCU处理器电路通过以太网MAC接口将告警信息报文发出。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提供的掉电告警模块电路设计，内置了适用于低温环境的备用电源以及备用电源管理功能，且独立模块化设计，可以串联于工业现场设备与电源之间，即可升级掉电告警功能。

2.本发明提供的掉电告警信息处理方法，内置处理器通过检测电路感知电源掉电信息，并结合灵活的配置信息，进行掉电信息的处理和传输，确保平台端接收到告警信息；同时检测备用电源续航状态，在备用电源电量即将耗尽时，进行电量耗尽信息的处理和传输，通知主控设备保存运行信息并关机，避免异常突发断电造成的数据丢失，甚至设备异常损坏。

附图说明

图1是本发明的掉电告警模块总体框图；

其中，1主电源接入端子，2内置备用电源，3电源管理电路，4以太网接入端口，5模块内供电电源处理电路，6电源变换电路，7检测电路，8状态指示与检测电路，9切换电路，10处理器电路，11以太网SWITCH电路，12通信处理电路，13电源输出端子，14RS232输出端子，15RS485输出端子，16DO输出端子，17以太网输出端口；

图2是本发明掉电告警模块的电源管理及检测结构图；

图3是本发明掉电告警模块的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种带备用电源管理的掉电告警模块，以串联方式接入原有设备中，实现内置备用电源管理，使得主电源和备用电源给负载供电时无切换时间，实现设备掉电告警功能的升级改造。

本发明提供一种掉电信息的处理方法，支持掉电告警和关机告警，且支持带有时间的信息报文，通过灵活多样的工业通信端口传输，确保告警信息的准确发送和多种设备适配。

图1显示的掉电告警模块对外的端口包括1主电源接入端口、12电源输出端口、9切换电路、4以太网接入端口、14RS232通信端口、15RS485通信端口、16DO输出端口、17以太网输出端口；其中主电源接入端口1连接设备的直流供电电源，如设计为24VDC，电源输出端口12用于连接工业设备的电源输入端，即将掉电告警模块通过主电源接入端口1及电源输出端口12串联至原设备的供电电源与设备端；切换电路9用于输出电源的电压切换，如9VDC或24VDC，通过开关形式实现；以太网接入端口4和以太网输出端口17，适用于被改造设备仅具有一个以太网通信端口，且已经被用户占用的情况，掉电告警模块通过以太网SWITCH电路11实现即不影响原用户数据通信又升级掉电告警功能；14、15、16端口皆为告警信息的输出端口，为同等端口，依据被改造设备的通信端口适配。

图1中的电源管理电路3用于内置备用电源2的充电管理和状态指示，电源管理电路通常使用专用充电管理芯片实现，如LT3652HV；而内置备用电源使用磷酸铁锂电池组实现，适用于低温环境；1主电源输入端口输入24VDC电源，备用电源2最高充电电压为18.25V，电源管理电路3确保当1主电源输入端口接入的电压高于2备用电源电压至少3.3V时才充电，所以要求接入电源精度为24VDC±10％；

如图2所示，电源管理电路3内集成2个肖特基二极管D1、D2实现1主电源输入和2内置备用电源的合路，并通过电源输出端口13为其他设备供电；当主电源1输入电压高于内置备用电源2时，主电源通过电源管理电路3给备用电池组充电，且同时给外部设备供电；反之，则备用电源不充电，且给外部设备供电，实现了主电源、备用电源供电无反应时间的切换。

图2中，检测电路7包含U2电压基准电路，U3、U4电压比较器电路，通过分压电阻R3/R4、R5/R6实现门限值设计，以24VDC输入电源为例，当DC_IN电压低于18VDC时，BATON输出有效，指示处理器当前供电为电池供电，主电源掉电；当DC_IN电压低于13VDC时，BATDOWN输出有效，指示处理器电池电量即将耗尽，请保存重要数据并关机。

图2中2内置备用电源包括磷酸铁锂电池组和NTC电阻，该NTC电阻用于感知电池组的环境温度，结果电源管理芯片U1实现充电温度控制功能。如U1使用LT3652HV芯片，则NTC引脚输出50uA恒流，且U1检测到NTC引脚电压超出0.29V～1.36V范围时将停止充电，使用β＝3380的10K NTC电阻时，如直接接入NTC将只能实现0～40度的充电范围，而实际应用于工业室外环境时，尤其冬季时无法满足现场应用。通过设计了2颗电阻R1、R2与NTC电阻的分压串联网络，实现更宽温度范围的充电保护，如R1选择1.47Kohm 0.5％，R2选择40.2Kohm0.5％时，可实现充电温度保护范围为-20～+45℃温度范围，适用于低温应用环境，也满足电池组的使用温度范围。

图2中的U1电源管理芯片输出充电状态信号CHRG和FAULT至8状态指示与检测电路，输出的信号为集电极开路信号，8状态指示与检测电路内支持通过三极管和非门逻辑电路分别连接至指示灯和处理内，在充电状态有变化时处理器可以感知到中断，并记录充电状态，用于备用电源充电状态维护。

图3为掉电告警信息的处理方法流程框图。掉电告警模块处理器上电初始化后开始装载配置参数，之后开始循环检测IO中断信息，如判断为充电状态信号则先获取RTC时间，记录状态变化信息；如果判断为BATON中断，则为主电源掉电告警信号，则产生掉电告警信息，并依据配置的信息通信端口，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息；如判断为BATDOWN中断，则为电池电量即将耗尽告警，则产生告警信息，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息。如果配置当前输出端口为DO时，则处理器驱动DO状态有效；如果配置当前输出端口为RS232/RS485时则处理器通过UART接口发送告警信息报文；如果配置当前输出端口为以太网接口时，需要处理器处理器通过以太网MAC接口将告警信息报文发出；进而实现了掉电告警信息灵活适配于现场多样化工业接口。

Claims (10)

1.一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，包括：

电源管理电路，用于感知备用电池组的环境温度，根据所述环境温度实现充电温度控制；

检测电路，用于通过分压电阻网络实现门限，输出电池组工作信号和电量耗尽信号发送至MCU处理器电路；

MCU处理器电路，用于根据电池组工作信号和电量耗尽信号分别产生BATON中断和BATDOWN中断，进行掉电告警信息的处理。

2.根据权利要求1所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，所述电源管理电路，包括：

充电管理芯片，用于通过分压串联网络检测备用电池组的环境温度，输出可变电压至监测电路以实现充电温度控制，并通过状态指示与检测电路进行状态指示；

所述充电管理芯片的电压输入端通过二极管D1接入主电源电压；电压输出端通过二极管D2输出可变电压至检测电路，还通过备用电池组接地；所述充电管理芯片的状态信号输出端通过状态指示与检测电路输出充电状态；

分压串联网络，包括电阻R1、电阻R2与热敏电阻RT1；所述充电管理芯片的NTC输出端依次通过电阻R1、电阻R2接地，电阻R2并联有热敏电阻RT1。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，所述备用电池组为磷酸铁锂电池组。

4.根据权利要求2所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，所述电压输出端通过二极管D2输出可变电压至电源变换电路，以使切换电路进行可变电压与电源变换电路输出电压的切换。

5.根据权利要求2所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，所述电压输出端通过二极管D2输出可变电压至内部供电电源处理电路，以实现MCU处理器电路以及与其连接的通信处理电路、以太网Switch电路的供电电源转换。

6.根据权利要求2所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路，其特征在于，所述检测电路包含电压基准芯片U2，电压比较器U3、电压比较器U4，

所述电压基准芯片U2两个输入端分别接入所述电源管理电路输出的可变电压、分压电阻网络的输入端；

所述分压电阻网络包括电阻R3、电阻R4串联构成的第一分支、以及电阻R5、电阻R6串联构成的第二分支，所述第一分支与第二分支并联形成的两端节点，一端作为分压电阻网络的输入端，另一端接地；

所述电阻R3、电阻R4的中间节点与电压比较器U3第二输入端连接；电阻R5、电阻R6的中间节点与电压比较器U4第二输入端连接；所述电压比较器U3的第一输入端、电压比较器U4第一输入端均接入可变电压；所述电压比较器U3输出端BATON、电压比较器U4输出端BATDOWN与MCU处理器电路连接。

7.一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

当主电源输入电压高于内置备用电池组电压时，主电源通过电源管理电路给备用电池组充电，且同时给包括监测电路的外部设备供电；反之，则备用电池组不充电，且给包括监测电路的外部设备供电，以实现主电源、备用电池组供电无反应时间的切换。

8.根据权利要求8所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路实现方法，其特征在于，所述监测电路通过分压电阻网络实现门限，包括以下步骤：

当可变电压DC_IN低于V1时，BATON输出有效，指示MCU处理器电路当前供电为备用电池组供电，主电源掉电；当可变电压DC_IN电压低于V2时，BATDOWN输出有效，指示MCU处理器电路备用电池组电量即将耗尽，需保存数据并关机。

9.一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

MCU处理器电路循环检测IO中断信息：

如判断为充电状态信号，则先获取实时时钟RTC时间，记录备用电池组状态变化信息；

如判断为BATON中断，为主电源掉电告警信号，则产生掉电告警信息，并依据配置的信息通信端口，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息；

如判断为BATDOWN中断，为电池组电量即将耗尽告警，则产生告警信息，添加获取的RTC时间戳信息，通过相应的输出端口发送该告警信息。

10.根据权利要求9所述的一种低温带备用电源管理的掉电告警模块电路处理方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果配置当前输出端口为DO时，则MCU处理器电路驱动DO状态有效；

如果配置当前输出端口为串口时，则MCU处理器电路通过UART接口发送告警信息报文；

如果配置当前输出端口为以太网接口时，MCU处理器电路通过以太网MAC接口将告警信息报文发出。

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