摘 要： 對(duì)一種大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的超級(jí)電容進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)設(shè)計(jì)。監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由人機(jī)界面、智能電表、可編程邏輯控制器構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)及狀態(tài)顯示、單個(gè)超級(jí)電容詳細(xì)參數(shù)及狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自保護(hù)、超級(jí)電容預(yù)警聯(lián)動(dòng)、超級(jí)電容報(bào)警聯(lián)動(dòng)、超級(jí)電容設(shè)置、報(bào)警記錄與事件記錄查詢等功能。另外，重點(diǎn)闡述了CAN通信實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)自保護(hù)實(shí)現(xiàn)、預(yù)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。工程運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行十分可靠，技術(shù)值得推廣。
關(guān)鍵詞： 大電流放電實(shí)驗(yàn)；超級(jí)電容；監(jiān)控；保護(hù)
0 引言
大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用恒流源進(jìn)行充電，可以提供短時(shí)大電流，主要用于測試?yán)^電器及接觸器等在大電流開合時(shí)的性能及壽命參數(shù)。
超級(jí)電容可以在極短的時(shí)間內(nèi)吸收或釋放相當(dāng)大的功率，是大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心組成部件。然而，超級(jí)電容單體額定電壓低，需要大量單體串并聯(lián)組合工作，使用條件、環(huán)境溫度、充電電流、偏置電壓、單體參數(shù)等諸多因素均將影響超級(jí)電容的性能，惡劣的工作環(huán)境將會(huì)導(dǎo)致其壽命大大降低[1-4]。
因此，必須監(jiān)控超級(jí)電容的電壓、電流和溫度等，當(dāng)預(yù)測到存在故障隱患時(shí)及時(shí)報(bào)警通知管理人員進(jìn)行維護(hù)和處置，防患于未然；當(dāng)發(fā)生破壞性故障時(shí)，能夠快速響應(yīng)自動(dòng)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作，防止故障損失擴(kuò)大[5-6]。
本文首先介紹大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后詳細(xì)論述超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)面和功能架構(gòu)，接著重點(diǎn)闡述監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹工程應(yīng)用情況。
1 大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
本文所研究的大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理接線如圖1所示。
系統(tǒng)主要由6個(gè)超級(jí)電容模塊串聯(lián)而成，采用100 A電流源進(jìn)行充電，輸出提供最高800 V、瞬時(shí)1 000 A放電電流。
超級(jí)電容模塊（Ultra Capacitor Module，UCM）采用Maxwell公司生產(chǎn)的BMOD0063 P125系列，電容值為63 F，額定電壓為125 V，內(nèi)部由6節(jié)每節(jié)8個(gè)共48個(gè)電容組件串聯(lián)而成。該系列超級(jí)電容模塊自帶電壓平衡、狀態(tài)監(jiān)測和溫度管理等功能，并且提供CAN總線接口，可以實(shí)時(shí)獲取超級(jí)電容模塊的當(dāng)前溫度、各節(jié)電壓數(shù)值、電壓不均衡狀況及各種預(yù)警與報(bào)警狀態(tài)[3-4]。
2 超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)設(shè)計(jì)
2.1 超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由人機(jī)界面（Human Machine Interaction，HMI）、智能電表（Smart Meter，SM）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等組成。
人機(jī)界面為7寸觸摸屏，采用組態(tài)進(jìn)行編程開發(fā)，分辨率為800×600，自帶2路RS485接口和1路CAN總線接口，支持自定義CAN-bus協(xié)議和Modbus協(xié)議通信。
超級(jí)電容模塊內(nèi)置通信組件，采用CAN總線與人機(jī)界面通信，通信協(xié)議為基于CAN 2.0規(guī)范的Maxwell自定義協(xié)議。
智能電表主要用于監(jiān)控充電電流、系統(tǒng)總電壓等參數(shù)，當(dāng)總電壓達(dá)到限值時(shí)切斷充電回路，智能電表和人機(jī)界面之間采用Modbus協(xié)議通信。
PLC主要用于獲取各個(gè)開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行預(yù)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制開關(guān)狀態(tài)，PLC與人機(jī)界面之間采用西門子PPI協(xié)議通信。
2.2 超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架
超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的功能框架如圖3所示。
主要參數(shù)及狀態(tài)顯示：顯示總電壓及其實(shí)時(shí)趨勢圖、UCM1#~6#的溫度和全電壓數(shù)值、系統(tǒng)主要運(yùn)行與監(jiān)控狀態(tài)等。
單個(gè)UCM詳細(xì)參數(shù)及狀態(tài)顯示：分別顯示每個(gè)UCM的溫度、內(nèi)部每節(jié)電壓（共6節(jié)，每節(jié)相對(duì)輸出末端的電壓差，其中第3節(jié)電壓也稱半電壓，第6節(jié)電壓也稱全電壓）、電壓德爾塔參數(shù)（反映內(nèi)部每節(jié)電壓降分配不均衡狀況的參數(shù)）、預(yù)報(bào)警狀態(tài)、溫度實(shí)時(shí)曲線、全電壓實(shí)時(shí)曲線等。
系統(tǒng)自保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)掉電、開關(guān)電源等部件損壞、UCM死機(jī)或通信失聯(lián)、HMI死機(jī)或通信失聯(lián)、SM死機(jī)或失聯(lián)、PLC死機(jī)或通信失聯(lián)等場合下，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。
UCM預(yù)警聯(lián)動(dòng)：當(dāng)任意UCM溫度超下限、溫度超上限、全電壓超上限、半電壓超上限、電壓德爾塔峰值超上限發(fā)生時(shí)，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作，預(yù)警涵括報(bào)警。
UCM報(bào)警聯(lián)動(dòng)：當(dāng)任意UCM溫度超上限報(bào)警、全電壓超上限報(bào)警、電壓德爾塔峰值超上限報(bào)警發(fā)生時(shí)，能夠在HMI顯示和PLC輸出端做出反應(yīng)并實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。
UCM設(shè)置：與UCM進(jìn)行通信，設(shè)置UCM的地址標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間間隔及上報(bào)內(nèi)容等參數(shù)。
報(bào)警記錄與事件記錄查詢：報(bào)警記錄指UCM上報(bào)數(shù)據(jù)中的前述預(yù)報(bào)警信息記錄。事件記錄指預(yù)報(bào)警發(fā)生時(shí)，HMI觸發(fā)的事件和處理動(dòng)作記錄。
3 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵
3.1 CAN通信實(shí)現(xiàn)
目前國內(nèi)銷售的帶CAN接口的組態(tài)人機(jī)界面觸摸屏可選型號(hào)很多，但是大部分人機(jī)界面只支持標(biāo)準(zhǔn)CANOpen協(xié)議（一種基于CAN 2.0規(guī)范的應(yīng)用層協(xié)議）通信，而Maxwell超級(jí)電容模塊提供的通信接口是基于CAN 2.0規(guī)范的自定義協(xié)議，因此人機(jī)界面選型對(duì)后續(xù)開發(fā)十分重要。
經(jīng)過反復(fù)對(duì)比分析，最終選定某公司開發(fā)的“LEVI-777A”型人機(jī)界面，該型號(hào)人機(jī)界面支持各種通用CAN擴(kuò)充協(xié)議及基于CAN 2.0規(guī)范的自定協(xié)議。自定義協(xié)議通信數(shù)據(jù)幀配置界面如圖4所示。
在數(shù)據(jù)幀配置界面上，不僅可以配置數(shù)據(jù)幀格式、幀標(biāo)識(shí)、交互模式、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息，還可通過CtrBit控制位來控制指令發(fā)送，并使用Lamp標(biāo)識(shí)位來判斷通信是否成功。
3.2 系統(tǒng)自保護(hù)實(shí)現(xiàn)
作為超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，其自身的可靠性十分關(guān)鍵，系統(tǒng)失效的情況包括：系統(tǒng)掉電、開關(guān)電源等部件損壞、UCM死機(jī)或通信失聯(lián)、HMI死機(jī)或通信失聯(lián)、SM死機(jī)或失聯(lián)、PLC通信失聯(lián)等。
系統(tǒng)自保護(hù)的PLC輸出IO接線如圖5所示，正常情況下Q0.1輸出高電平，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)前述失效情況時(shí)，Q0.1輸出低電平，報(bào)警繼電器輸出使用常閉觸點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)原理：正常時(shí)HMI控制Q0.1=1，并按一定周期給PLC發(fā)送心跳信號(hào)（翻轉(zhuǎn)M0.0值）；當(dāng)系統(tǒng)掉電和開關(guān)電源損壞時(shí)，24 V輸出為0，輸出電平肯定為低電平；當(dāng)UCM死機(jī)或失聯(lián)及SM死機(jī)或失聯(lián)時(shí)，HMI通過Lamp標(biāo)識(shí)位檢測，然后直接控制使Q0.1=0，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)PLC與HMI通信失聯(lián)，心跳包中斷，PLC檢測到心跳包中斷后控制Q0.1=0，輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>
3.3 PLC與UCM預(yù)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)
UCM預(yù)警情況：溫度超下限、溫度超上限、全電壓超上限、半電壓超上限、峰值德爾塔超上限。當(dāng)發(fā)生UCM預(yù)警時(shí)，PLC控制啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。
UCM報(bào)警情況：溫度超上限報(bào)警、全電壓超上限報(bào)警、峰值德爾塔超上限報(bào)警。當(dāng)發(fā)生UCM報(bào)警時(shí)，PLC控制切斷充放電回路開關(guān)斷路器。
實(shí)現(xiàn)原理：UCM以50 ms為周期，不斷通過CAN總線主動(dòng)向HMI上報(bào)UCM狀態(tài)信息，其中包括了上述預(yù)、報(bào)警信息。HMI使用多個(gè)后臺(tái)腳本（多線程）分別監(jiān)控每個(gè)UCM的狀態(tài)，當(dāng)任意一個(gè)UCM出現(xiàn)預(yù)、報(bào)警時(shí)，通過控制PLC的IO輸出實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警或切斷開關(guān)斷路器。
4 監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行主界面
超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖6所示。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試后測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行十分可靠，各個(gè)界面的狀態(tài)數(shù)據(jù)更新正確，顯示延時(shí)小于100 ms；預(yù)、報(bào)警準(zhǔn)確，HMI顯示延時(shí)小于50 ms，PLC預(yù)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)動(dòng)作延時(shí)小于150 ms；當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)自保護(hù)失效的情況時(shí)，HMI和PLC指示正確，HMI指示反應(yīng)延時(shí)小于300 ms，PLC指示反應(yīng)延時(shí)小于1 000 ms。
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