一种基于UPS的工控机上下电保护系统及保护方法

技术领域

本发明涉及工控机技术领域，具体涉及一种基于UPS的工控机上下电保护系统及保护方法。

背景技术

工控机是在市电工程中运用很广泛的设备之一，现有工控机的显示器及主机工作都需要正常的电力供应，尤其是内存，对电源的要求更高，它是一种依赖电能的存储设备，需要不断的刷新动作来保持存储内容，一旦断电，所保存的内容立即消失，这样不仅影响了市电中各个机器的正常工作，也降低了工控机的使用寿命。相比商用机，工控机需要具备复杂气候环境适应能力、以及长期稳定可靠的运行能力，特别是数据保护以及系统安全至关重要。

现有的一种方式是在工控机外部加大容量UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)来支撑外部掉电期间长期稳定工作，使得重新来电时继续使用外电得到一个平滑过渡的过程。但此方法对于负载设备功率较大，且掉电时间较长时，系统和文件得不到有效保护。另外，UPS的体积相对较大，对于小型机箱无法安装，只能外置，无法轻量化。

另外一种方式是外部加小容量UPS，利用上端控制软件，设定合理的关机时间，来执行系统关机命令，UPS在收到指令之后，同步切断对负载端的电压输出。此方法虽然有效保护了系统文件，但关键用户程序执行的保护得不到有效的保障，如数据库文件，配置文件等。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于UPS的工控机上下电保护系统及保护方法，能够实现来电自启，掉电时做系统和应用保护，保证工控机在工业现场的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于UPS的工控机上下电保护系统，包括：

工控机，安装有操作系统及应用软件，需通电正常运行；

UPS，用于向负载提供电压，与工控机进行通信；

开关电源，为UPS提供可用电压；

Arduino控制器，桥接在所述工控机与所述UPS之间，所述Arduino控制器还与所述开关电源的一输出端连接；

当市电中断时，所述UPS通过机内电池向所述Arduino控制器输出电压，维持所述Arduino控制器正常工作，确保所述工控机正常关机；当所述Arduino控制器检测到来市电时，将所述UPS的输出电压提供给工控机，保证工控机正常启动。

具体地，所述开关电源的第一输出端与所述UPS的电源输入端连接，所述开关电源的第二输出端与所述Arduino控制器的信号输入端连接，所述UPS的通信端口与所述工控机的第一通信端口连接，所述UPS的第一电压输出端与所述Arduino控制器的继电器公共端连接，所述UPS的第二电压输出端与所述Arduino控制器的电源输入端连接，所述Arduino控制器的继电器输出端与工控机的电源输入端连接，所述Arduino控制器的通信端口与所述工控机的第二通信端口连接。

具体地，当所述Arduino控制器的继电器闭合时，所述继电器的公共端与输出端导通，所述Arduino控制器将所述UPS的输出功率提供给所述工控机。

具体地，当所述Arduino控制器的继电器断开时，所述UPS通过第二电压输出端继续向所述Arduino控制器输出电压。

应用本发明提供的基于UPS的工控机上下电保护系统进行工控机上下电保护的方法包括工控机的上电自启动和下电关机两个过程，其中，所述上电自启动包括以下步骤：

步骤S11：工控机进入到BIOS系统，在工控机的电源管理模块中设置上电自启动；

步骤S12：当市电处于中断状态时，所述UPS为所述Arduino控制器提供电压，所述Arduino控制器循环检测信号输入端是否来市电，若检测到来市电，执行步骤S13，否则继续循环检测；

步骤S13：所述Arduino控制器闭合继电器，将UPS的输出功率输入给工控机，所述工控机上电自启动。

具体地，所述工控机下电关机包括以下步骤：

步骤S21：当所述UPS检测到电源输入端掉电时，所述UPS立即切换电池电源供给模式，将机内电池的电能输出给所述Arduino控制器，所述UPS将外部电源检测信号设置为掉电状态；

步骤S22：所述工控机确认所述UPS的外部电源检测信号为掉电状态后，所述工控机等待应用程序工作处理完成，并保存相应配置及数据库数据后，通知所述Arduino控制器自己即将关机；

步骤S23：所述Arduino控制器接收到所述工控机发送的即将关机信息后，立即向所述工控机回复关机确认信息，所述工控机收到关机确认信息后，执行系统关机指令。

具体地，所述工控机下电关机还包括以下步骤：

步骤S24：所述Arduino控制器向所述工控机回复关机确认信息后，等待t≥30s后，所述Arduino控制器的继电器断开，所述继电器的公共端与输出端不导通，所述Arduino控制器不为工控机提供电压。

具体地，所述工控机下电关机还包括以下步骤：

步骤S25：当所述工控机关机后，所述UPS通过自身电池的电能继续为所述Arduino控制器提供电压，维持所述Arduino控制器正常工作。

具体地，在步骤S22中，所述工控机确认所述UPS的外部电源检测信号为掉电状态包括以下步骤：

步骤S31：所述工控机每隔周期T1对UPS的外部电源检测信号进行轮询检测，当检测到外部电源检测信号为掉电状态时，则每隔周期T2继续对UPS的外部电源检测信号进行轮询检测，所述周期T1>T2；

步骤S32：若连续10次检测到所述UPS外部电源检测信号都为掉电状态，则确认所述UPS的外部电源检测信号为掉电状态，否则跳转到步骤S31继续执行。

具体地，所述UPS与所述工控机之间采用本地RS232通信，所述工控机与所述Arduino控制器之间采用本地RS485通信。

本发明提供的一种基于UPS的工控机上下电保护系统及保护方法，能够实现来电自启，掉电时做系统和应用保护。从硬件本身来讲，无需对现有UPS和工控机做任何改动，只要增加Arduino控制器；并通过冗余判断，同步解决了现场频繁掉电的极限情况处理，使得整套系统能可靠应对工业现场的复杂环境，并可利用Arduino控制器的外围IO，是对没有IO外设的工控机的一种补充。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于UPS的工控机上下电保护系统的结构框图；

图2为工控机上下电保护系统的上电自启动流程图；

图3为工控机上下电保护系统的下电关机流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

本发明提供了一种基于UPS的工控机上下电保护系统，如图1所示，所述工控机上下电保护系统包括工控机、UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)、开关电源和Arduino控制器四个部分。工控机上安装有操作系统及各种应用软件，在工业现场可以起到数据采集，运动控制，机器视觉等多方面作用，需通电才能正常运行。

如图1所示，所述开关电源的第一输出端口24OUT1与所述UPS的电源输入端24IN连接，当市电输入正常时，所述开关电源将外部220V电压转换成UPS可用电压，并通过第一输出端口24OUT1输出到UPS中，为UPS提供电压。

如图1所示，所述Arduino控制器桥接在所述工控机与所述UPS之间，所述UPS的第一电压输出端24VOUT1与所述Arduino控制器的继电器公共端COM连接，所述UPS的第二电压输出端24VOUT2与所述Arduino控制器的电源输入端24IN连接，所述Arduino控制器的继电器还具有一输出端YO，所述输出端YO连接工控机的电源输入端24V。当市电输入正常时，所述UPS将市电稳压后，通过第一电压输出端24VOUT1和第二电压输出端24VOUT2提供给Arduino控制器使用，此时，所述Arduino控制器的继电器处于闭合状态，即所述继电器的公共端COM与输出端YO导通，所述Arduino控制器将所述UPS的输出功率供给工控机，工控机正常工作。此时的UPS相当于一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电。当市电中断(事故停电)时，所述UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向所述Arduino控制器继续供应220V交流电，使Arduino控制器维持正常工作。

所述开关电源的第二输出端24OUT2与所述Arduino控制器的信号输入端X1连接，用来检测开关电源是否通电，即检测是否来市电。所述UPS的通信端口RS232与工控机的第一通信端口RS232连接，所述UPS与所述工控机通过RS232通信介质，以MODBUSRTU协议交互的方式进行通信。所述工控机的第二通信端口RS485与所述Arduino控制器的通信端口RS485连接，所述工控机与所述Arduino控制器之间采用本地RS485通信。

应用上述提供的基于UPS的工控机上下电保护系统对工控机进行上下电保护，主要包括上电自启动和下电关机两个过程，如图2所示，上电自启动包括以下步骤：

步骤S11：工控机进入到BIOS系统，在工控机的电源管理模块中设置上电自启动。

步骤S12：当市电处于中断状态时，所述Arduino控制器处于正常工作下，循环检测信号输入端X1是否来市电，若检测到来市电，执行步骤S13，否则继续循环检测。

在来市电之前，若所述UPS电池的电能已耗尽，导致无法向所述Arduino控制器供电，若此时来市电，则复位重启所述Arduino控制器，所述Arduino控制器内部程序进行初始化，默认将继电器闭合，保证工控机正常启动。若在来市电之前，所述UPS电池的电能未未尽，则所述UPS靠自身机内电池维持所述Arduino控制器正常工作。

步骤S13：所述Arduino控制器闭合继电器，将UPS的输出功率输入给工控机，所述工控机上电自启动。

Arduino控制器检测到来市电时，等待大约10s左右的时间，将继电器闭合，这时所述继电器的公共端COM与输出端YO导通，这样，Arduino控制器通过输出端YO将UPS的输出功率提供给工控机，工控机通电后进行自启动。

当市电中断时，工控机进行下电关机保护操作，如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤S21：当所述UPS检测到电源输入端24IN掉电时，所述UPS立即切换电池电源供给模式，将机内电池的电能输出给所述Arduino控制器，同时，所述UPS将外部电源检测信号设置为掉电状态。

步骤S22：所述工控机确认所述UPS的外部电源检测信号为掉电状态后，所述工控机等待应用程序工作处理完成，保存相应配置及数据库数据后，通知所述Arduino控制器自己即将关机。

工控机对UPS进行轮询检测，包括以下过程：

(1)工控机每隔周期T1对UPS的外部电源检测信号进行轮询检测，所述周期T1的设定根据实际需求选择，可设定为30秒或1分钟或其它数据，当检测到外部电源检测信号为掉电状态时，则缩短轮询检测间隔，每隔周期T2继续对UPS的外部电源检测信号进行轮询检测，所述周期T2可设定为10秒或5秒，根据实际需求选择。

(2)若连续有10次检测到所述UPS外部电源检测信号都为掉电状态，则确认所述UPS的外部电源检测信号为掉电状态，否则视为误监测，每隔周期T1继续对UPS的外部电源检测信号进行轮询检测。

通过工控机对UPS的掉电轮询检测，对现场的频繁上下电的容错判断进行隔离，有效避免了外部电压不稳定导致系统频繁上下电。

若工控机判断市电明确掉电之后，执行系统关机指令，此时又突然来市电，Arduino控制器会继续执行完前一次逻辑任务，再重新判断来电状态，执行相应的来电自启，保证逻辑的可靠性。

步骤S23：所述Arduino控制器接收到所述工控机发送的即将关机信息后，立即向所述工控机回复关机确认信息，所述工控机收到关机确认信息后，执行系统关机指令。

步骤S24：所述Arduino控制器向所述工控机回复关机确认信息后，强制等待一定可靠时间t后，t≥30s，所述Arduino控制器的继电器断开，所述继电器的公共端COM与输出端YO不导通，所述Arduino控制器不为工控机提供电压。

步骤S25：当所述工控机关机后，所述UPS通过自身电池的电能继续为所述Arduino控制器提供电压，维持所述Arduino控制器正常工作。

此时，UPS的第一电压输出端24VOUT1虽然没有关闭，但被继电器隔断，耗电负载工控机被隔离，UPS只需为一路轻负载Arduino控制器供电。因此，当市电中断时，UPS依然能长时间为Arduino控制器供电，维持其正常工作。

本发明提供的一种基于UPS的工控机上下电保护系统及保护方法，能够实现工控机的上电自启动，下电关机保护，提高了工控机运行的稳定性和安全性。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。