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一种基于LoRa技术的FFU群控系统

文章来源:http://www.jiejingfang.com/  2020年07月01日  点击数:353
一种基于LoRa技术的FFU群控系统

技术领域

本发明涉及风机控制领域,具体涉及一种基于LoRa技术的FFU群控系统。

背景技术

FFU(风机过滤机组)被广泛应用于洁净车间的空气净化。FFU群控系统,是指通过一个软件来控制所有风机的运转情况,一般至少包括定时开关、速度控制、故障报警、能耗监控等功能。FFU群控系统一般由FFU控制器、通讯设备、群控服务器构成。现有的群控系统,比较常见的网络拓扑结构采用485总线加串口服务器的二层结构。这种系统在实施时面临如下两个问题:

(1)这些项目施工时,需要将各个控制器与串口服务器通过485连接起来,再将串口服务器连接与群控服务器连接到同一个网络。这种网络结构,施工时面临大量的电气线路连接工作,维护起来工作量也很大。

(2)根据RS485标准,一条485总线最多连接32个设备,也就是说串口服务器的一个485接口只能连接31个设备。因此对于上万台FFU的大型系统,就需要大量的串口服务器。而工业级串口服务器的价格较高,大量的串口服务器推高了系统的成本。

发明内容

针对上述存在的问题,本发明提出一种基于LoRa技术的FFU群控系统,采用LoRa网络取代传统的485网络,从而大大减少了大型FFU控制系统的建设施工工作量,同时也相应减少了后期维修维护的工作量。

一种基于LoRa技术的FFU群控系统,其特征在于:

本系统由FFU及FFU控制器、LoRa网关和FFU群控服务器构成;

所述FFU控制器控制FFU电机的运行并收发相关运行信息,所述FFU控制器的硬件电路主要包含四部分,电源部分、通信部分、MCU部分和电机驱动部分;

所述FFU群控服务器控制和诊断所有的FFU的运行;

所述LoRa网关作为通讯中介,负责FFU群控服务器与FFU控制器之间的消息传递。

进一步地,一台FFU群控服务器和多台LoRa网关通过局域网相连,LoRa网关的数量取决于系统规模。

进一步地,FFU控制器中的电源部分将220VAC的市电转化为直流电供各个部分使用,包括一个整流滤波电路和两个开关电源模块;整流滤波电路中的整流桥采用KBPC1510全波整流,滤波电容采用450V,10000μF的电解电容,输出300VDC左右的电压供电机驱动部分作为直流母线;开关电源模块选用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03,产生3.3VDC的电压供MCU部分的单片机和通信部分使用,产生的15VDC的电压供电机驱动部分中的IPM使用。

进一步地,FFU控制器中的通信部分选用基于SX1268芯片的亿佰特E22-400T22S模块,该模块在本FFU控制器中作为MCU部分的单片机的收发器,与单片机之间进行UART通讯。

进一步地,FFU控制器中的MCU部分是整个控制器的核心,选用STM32F103C86T单片机。该单片机基于ARM 32-bit Cortex™-M3构架,LQFP48封装,包括32个IO和3个UART。单片机程序主要包含电机控制和逻辑控制部分。电机控制部分包含了一套基于无速度传感器控制技术的感应电机控制算法,用于接受控制调节输出转速与转矩;逻辑部分主要是与接收与处理服务器发过来的命令,包括电机启停、转速调节、自我诊断。

进一步地,FFU控制器中的电机驱动由一个Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模块以及外围的电流采样电路构成;该智能功率模块接收单片机发出的PWM控制信号,控制六个内置的IGBT,驱动感应电机转动;所述电流采样电路采集电机三相电流信;根据基尔霍夫定律任意时刻三相电流和为零,实际只需要采集其中的两相。

进一步地,LoRa网关与FFU群控服务器通过工业以太网连接,与FFU控制器通过无线射频信号通讯;LoRa网关由一个主控芯片、一个以太网芯片以及一个LoRa模块,外加电源电路以及其他辅助电路构成;以太网芯片选用江苏沁恒的CH395Q;LoRa模块选用亿佰特的E22-400T22S模块,负责控制命令的收发;主控芯片选用意法半导体的STM32F103C8T6单片机,用于对CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及诊断。

进一步地,所述FFU群控服务器中安装群控软件,对所有的FFU进行管理,所述群控软件采用C#语言开发,数据库采用SQL Server;主要分成配置软件和运行软件两部分。

进一步地,所述配置软件配置运行画面和控制策略;用户导入车间布局图,根据实际位置在布局图上安放FFU,完成运行画面配置;用户将FFU分组,根据日期、星期、时刻制定各组FFU的开关或运行速度,完成控制策略的配置。

所述运行软件提供运行监控画面,显示各组FFU的运行情况,包括工作状态以及当前转速;对于大型FFU系统通过配置多显示器监控多组FFU的运行情况,或通过设定时间切换显示。

进一步地,所述群控软件提供数据库接口,第三方软件可以通过该接口随时调用各个风机的运行情况,以与其他系统相集成。

本发明的有益效果为:采用LoRa网络取代传统的485网络,从而大大减少了大型FFU控制系统的建设施工工作量,同时也相应减少了后期维修维护的工作量。

附图说明

图1为本发明实施例中所述群控的系统结构图。

图2为本发明实施例中FFU控制器硬件电路框图。

图3为本发明实施例中FFU控制器的电源部分原理图。

图4为本发明实施例中FFU控制器的MCU部分原理图。

图5为本发明实施例中FFU控制器的电机驱动部分原理图。

图6为本发明实施例中FFU控制器的通信部分原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本系统由FFU控制器、LoRa网关、FFU群控服务器构成。其中FFU控制器主要负责控制电机的转动以及收发信息;FFU群控服务器里面安装群控软件,负责控制和诊断所有的FFU的运行;LoRa网关作为通讯中介,负责群控服务器与控制器之间的消息传递。系统结构如图1所示。在该系统中,一台安装了群控软件的FFU服务器和多台LoRa网关通过局域网相连,LoRa网关的数量取决于系统规模。一般小规模诸如几百台FFU的群控系统仅需1台网关即可,大规模群控需要根据洁净室的布局情况设计LoRa网关的数量,当FFU数量较多时一台网关尽量不要超过连接500台FFU控制器。本系统设计最大容量是可以控制10万台FFU。

FFU控制器的主要作用有两个,一是驱动FFU电机转动,二是负责通讯信息的收发。常见的FFU电机有感应电机和直流无刷电机,针对不同类型的电机需要设计不同的控制电路。本发明仅以感应电机为例介绍FFU控制器的设计。

FFU控制器硬件电路主要包含四部分:电源部分、通信部分、MCU部分和电机驱动部分。系统框图如图2所示。

其中电源部分的作用是将220VAC的市电转化为直流电供各个部分使用。主要包括一个整流滤波电路和两个开关电源模块。整流滤波电路中的整流桥采用KBPC1510全波整流,滤波电容采用450V,10000μF的电解电容,输出300VDC左右的电压供电机驱动部分作为直流母线。开关电源模块选用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03,产生3.3VDC的电压供单片机和通信模块使用,产生的15VDC的电压供IPM使用。

通信部分选用的是亿佰特的E22-400T22S模块,该模块是一款基于SX1268芯片的LoRa扩频解决方案。该模块在本控制器中作为单片机的收发器而存在,与单片机之间进行UART通讯。

MCU部分是整个控制器的核心,选用STM32F103C86T单片机。该单片机基于ARM 32-bit Cortex™-M3构架,LQFP48封装,包括32个IO和3个UART。单片机程序主要包含电机控制和逻辑控制部分。电机控制部分包含了一套基于无速度传感器控制技术的感应电机控制算法,用于接受控制调节输出转速与转矩;逻辑部分主要是与接收与处理服务器发过来的命令,包括电机启停、转速调节、自我诊断等。

电机驱动部分由一个Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模块以及外围的电流采样电路构成。IRAMS06UP60B是一款专为感应电机变频调速而设计的驱动模块,内部集成了三相IGBT逆变电路,耐压600V,单相最大电流6A。该模块接收单片机发出的PWM控制信号,控制六个内置的IGBT,驱动感应电机转动。由于无速度传感器控制算法需要采集三相电流信息,所以还设计了一个电流采样电路,采集三相电流信号。根据基尔霍夫定律任意时刻三相电流和为零,所以实际只需要采集其中的两相。

FFU控制器的原理图和PCB如图3至6所示。

LoRa网关的作用是作为FFU群控服务器与FFU控制器的消息收发中介。LoRa网关与FFU群控服务器通过工业以太网连接,与FFU控制器通过无线射频信号通讯。LoRa网关主要由一个主控芯片、一个以太网芯片以及一个LoRa模块,外加电源电路以及其他辅助电路构成。以太网芯片选用江苏沁恒的CH395Q,该芯片自带10M/100M以太网MAC层和物理层,内置了包括IP、TCP、UDP等网络协议栈固件,单片机系统可以方便地通过该芯片进行以太网通讯。LoRa模块仍然选用亿佰特的E22-400T22S模块,作用和在FFU控制器中一样,负责控制命令的收发。主控芯片选用意法半导体的STM32F103C8T6单片机,用于对CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及诊断。

群控软件主要作用是对所有的FFU进行管理,采用C#语言开发,数据库采用SQLServer。主要分成两部分,一是配置软件,二是运行软件。

配置软件主要作用是配置运行画面和控制策略。用户导入车间布局图,根据实际位置在布局图上安放FFU,完成运行画面配置;用户将FFU分组,根据日期、星期、时刻制定各组FFU的开关或运行速度,完成控制策略的配置。

运行软件主要提供运行监控画面,显示各组FFU的运行情况,包括状态(运行、停止、故障、离线等)以及当前转速。对于大型FFU系统可以通过配置多显示器监控多组FFU的运行情况,也可以通过设定时间切换显示。

除此以外,本软件提供数据库接口,第三方软件可以通过该接口随时调用各个风机的运行情况,便于与其他系统相集成。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

一种基于LoRa技术的FFU群控系统

技术领域

本发明涉及风机控制领域,具体涉及一种基于LoRa技术的FFU群控系统。

背景技术

FFU(风机过滤机组)被广泛应用于洁净车间的空气净化。FFU群控系统,是指通过一个软件来控制所有风机的运转情况,一般至少包括定时开关、速度控制、故障报警、能耗监控等功能。FFU群控系统一般由FFU控制器、通讯设备、群控服务器构成。现有的群控系统,比较常见的网络拓扑结构采用485总线加串口服务器的二层结构。这种系统在实施时面临如下两个问题:

(1)这些项目施工时,需要将各个控制器与串口服务器通过485连接起来,再将串口服务器连接与群控服务器连接到同一个网络。这种网络结构,施工时面临大量的电气线路连接工作,维护起来工作量也很大。

(2)根据RS485标准,一条485总线最多连接32个设备,也就是说串口服务器的一个485接口只能连接31个设备。因此对于上万台FFU的大型系统,就需要大量的串口服务器。而工业级串口服务器的价格较高,大量的串口服务器推高了系统的成本。

发明内容

针对上述存在的问题,本发明提出一种基于LoRa技术的FFU群控系统,采用LoRa网络取代传统的485网络,从而大大减少了大型FFU控制系统的建设施工工作量,同时也相应减少了后期维修维护的工作量。

一种基于LoRa技术的FFU群控系统,其特征在于:

本系统由FFU及FFU控制器、LoRa网关和FFU群控服务器构成;

所述FFU控制器控制FFU电机的运行并收发相关运行信息,所述FFU控制器的硬件电路主要包含四部分,电源部分、通信部分、MCU部分和电机驱动部分;

所述FFU群控服务器控制和诊断所有的FFU的运行;

所述LoRa网关作为通讯中介,负责FFU群控服务器与FFU控制器之间的消息传递。

进一步地,一台FFU群控服务器和多台LoRa网关通过局域网相连,LoRa网关的数量取决于系统规模。

进一步地,FFU控制器中的电源部分将220VAC的市电转化为直流电供各个部分使用,包括一个整流滤波电路和两个开关电源模块;整流滤波电路中的整流桥采用KBPC1510全波整流,滤波电容采用450V,10000μF的电解电容,输出300VDC左右的电压供电机驱动部分作为直流母线;开关电源模块选用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03,产生3.3VDC的电压供MCU部分的单片机和通信部分使用,产生的15VDC的电压供电机驱动部分中的IPM使用。

进一步地,FFU控制器中的通信部分选用基于SX1268芯片的亿佰特E22-400T22S模块,该模块在本FFU控制器中作为MCU部分的单片机的收发器,与单片机之间进行UART通讯。

进一步地,FFU控制器中的MCU部分是整个控制器的核心,选用STM32F103C86T单片机。该单片机基于ARM 32-bit Cortex™-M3构架,LQFP48封装,包括32个IO和3个UART。单片机程序主要包含电机控制和逻辑控制部分。电机控制部分包含了一套基于无速度传感器控制技术的感应电机控制算法,用于接受控制调节输出转速与转矩;逻辑部分主要是与接收与处理服务器发过来的命令,包括电机启停、转速调节、自我诊断。

进一步地,FFU控制器中的电机驱动由一个Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模块以及外围的电流采样电路构成;该智能功率模块接收单片机发出的PWM控制信号,控制六个内置的IGBT,驱动感应电机转动;所述电流采样电路采集电机三相电流信;根据基尔霍夫定律任意时刻三相电流和为零,实际只需要采集其中的两相。

进一步地,LoRa网关与FFU群控服务器通过工业以太网连接,与FFU控制器通过无线射频信号通讯;LoRa网关由一个主控芯片、一个以太网芯片以及一个LoRa模块,外加电源电路以及其他辅助电路构成;以太网芯片选用江苏沁恒的CH395Q;LoRa模块选用亿佰特的E22-400T22S模块,负责控制命令的收发;主控芯片选用意法半导体的STM32F103C8T6单片机,用于对CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及诊断。

进一步地,所述FFU群控服务器中安装群控软件,对所有的FFU进行管理,所述群控软件采用C#语言开发,数据库采用SQL Server;主要分成配置软件和运行软件两部分。

进一步地,所述配置软件配置运行画面和控制策略;用户导入车间布局图,根据实际位置在布局图上安放FFU,完成运行画面配置;用户将FFU分组,根据日期、星期、时刻制定各组FFU的开关或运行速度,完成控制策略的配置。

所述运行软件提供运行监控画面,显示各组FFU的运行情况,包括工作状态以及当前转速;对于大型FFU系统通过配置多显示器监控多组FFU的运行情况,或通过设定时间切换显示。

进一步地,所述群控软件提供数据库接口,第三方软件可以通过该接口随时调用各个风机的运行情况,以与其他系统相集成。

本发明的有益效果为:采用LoRa网络取代传统的485网络,从而大大减少了大型FFU控制系统的建设施工工作量,同时也相应减少了后期维修维护的工作量。

附图说明

图1为本发明实施例中所述群控的系统结构图。

图2为本发明实施例中FFU控制器硬件电路框图。

图3为本发明实施例中FFU控制器的电源部分原理图。

图4为本发明实施例中FFU控制器的MCU部分原理图。

图5为本发明实施例中FFU控制器的电机驱动部分原理图。

图6为本发明实施例中FFU控制器的通信部分原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本系统由FFU控制器、LoRa网关、FFU群控服务器构成。其中FFU控制器主要负责控制电机的转动以及收发信息;FFU群控服务器里面安装群控软件,负责控制和诊断所有的FFU的运行;LoRa网关作为通讯中介,负责群控服务器与控制器之间的消息传递。系统结构如图1所示。在该系统中,一台安装了群控软件的FFU服务器和多台LoRa网关通过局域网相连,LoRa网关的数量取决于系统规模。一般小规模诸如几百台FFU的群控系统仅需1台网关即可,大规模群控需要根据洁净室的布局情况设计LoRa网关的数量,当FFU数量较多时一台网关尽量不要超过连接500台FFU控制器。本系统设计最大容量是可以控制10万台FFU。

FFU控制器的主要作用有两个,一是驱动FFU电机转动,二是负责通讯信息的收发。常见的FFU电机有感应电机和直流无刷电机,针对不同类型的电机需要设计不同的控制电路。本发明仅以感应电机为例介绍FFU控制器的设计。

FFU控制器硬件电路主要包含四部分:电源部分、通信部分、MCU部分和电机驱动部分。系统框图如图2所示。

其中电源部分的作用是将220VAC的市电转化为直流电供各个部分使用。主要包括一个整流滤波电路和两个开关电源模块。整流滤波电路中的整流桥采用KBPC1510全波整流,滤波电容采用450V,10000μF的电解电容,输出300VDC左右的电压供电机驱动部分作为直流母线。开关电源模块选用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03,产生3.3VDC的电压供单片机和通信模块使用,产生的15VDC的电压供IPM使用。

通信部分选用的是亿佰特的E22-400T22S模块,该模块是一款基于SX1268芯片的LoRa扩频解决方案。该模块在本控制器中作为单片机的收发器而存在,与单片机之间进行UART通讯。

MCU部分是整个控制器的核心,选用STM32F103C86T单片机。该单片机基于ARM 32-bit Cortex™-M3构架,LQFP48封装,包括32个IO和3个UART。单片机程序主要包含电机控制和逻辑控制部分。电机控制部分包含了一套基于无速度传感器控制技术的感应电机控制算法,用于接受控制调节输出转速与转矩;逻辑部分主要是与接收与处理服务器发过来的命令,包括电机启停、转速调节、自我诊断等。

电机驱动部分由一个Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模块以及外围的电流采样电路构成。IRAMS06UP60B是一款专为感应电机变频调速而设计的驱动模块,内部集成了三相IGBT逆变电路,耐压600V,单相最大电流6A。该模块接收单片机发出的PWM控制信号,控制六个内置的IGBT,驱动感应电机转动。由于无速度传感器控制算法需要采集三相电流信息,所以还设计了一个电流采样电路,采集三相电流信号。根据基尔霍夫定律任意时刻三相电流和为零,所以实际只需要采集其中的两相。

FFU控制器的原理图和PCB如图3至6所示。

LoRa网关的作用是作为FFU群控服务器与FFU控制器的消息收发中介。LoRa网关与FFU群控服务器通过工业以太网连接,与FFU控制器通过无线射频信号通讯。LoRa网关主要由一个主控芯片、一个以太网芯片以及一个LoRa模块,外加电源电路以及其他辅助电路构成。以太网芯片选用江苏沁恒的CH395Q,该芯片自带10M/100M以太网MAC层和物理层,内置了包括IP、TCP、UDP等网络协议栈固件,单片机系统可以方便地通过该芯片进行以太网通讯。LoRa模块仍然选用亿佰特的E22-400T22S模块,作用和在FFU控制器中一样,负责控制命令的收发。主控芯片选用意法半导体的STM32F103C8T6单片机,用于对CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及诊断。

群控软件主要作用是对所有的FFU进行管理,采用C#语言开发,数据库采用SQLServer。主要分成两部分,一是配置软件,二是运行软件。

配置软件主要作用是配置运行画面和控制策略。用户导入车间布局图,根据实际位置在布局图上安放FFU,完成运行画面配置;用户将FFU分组,根据日期、星期、时刻制定各组FFU的开关或运行速度,完成控制策略的配置。

运行软件主要提供运行监控画面,显示各组FFU的运行情况,包括状态(运行、停止、故障、离线等)以及当前转速。对于大型FFU系统可以通过配置多显示器监控多组FFU的运行情况,也可以通过设定时间切换显示。

除此以外,本软件提供数据库接口,第三方软件可以通过该接口随时调用各个风机的运行情况,便于与其他系统相集成。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

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