彭長青，尚榮艷

　?。ㄈA僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,，福建 廈門 361021）

　　摘要：大電流放電實驗系統(tǒng)中，超級電容監(jiān)控系統(tǒng)存在硬件損壞,、軟件崩潰,、通信失聯(lián)等問題。為此,，提出了解決電源故障,、HMI故障、超級電容通信故障,、PLC故障的自保護(hù)方案,，解決了監(jiān)控系統(tǒng)自身失效的檢測和保護(hù)問題。最后,，對實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)功能進(jìn)行了測試,，結(jié)果表明，該自保護(hù)設(shè)計方案確實是可行和有效的,。

　　關(guān)鍵詞：超級電容,；人機(jī)界面；監(jiān)控系統(tǒng),；自保護(hù)

　　中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.008

　　引用格式：彭長青,，尚榮艷.超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（10）：26-29.

0引言

　　*基金項目：廈門科技計劃項目（3502720153029）

　　超級電容是一種新型的電能存儲裝置,，具有功率密度大、充放電時間短,、循環(huán)壽命長,、工作溫度范圍寬等優(yōu)點。它可以在極短的時間內(nèi)吸收或釋放相當(dāng)大的功率,，為其他設(shè)備提供緩沖,，己經(jīng)應(yīng)用于電動車輛、風(fēng)力發(fā)電,、航空和激光武器等很多領(lǐng)域的儲能系統(tǒng)［16］,。

　　然而，超級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電容的性能，惡劣的工作環(huán)境將會導(dǎo)致其壽命大大降低［710］,。超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的作用是實時監(jiān)視超級電容運行狀況,，并進(jìn)行相應(yīng)控制反饋；當(dāng)預(yù)測到存在故障隱患時及時報警通知管理人員進(jìn)行維護(hù)和處置,，防患于未然,；當(dāng)發(fā)生破壞性故障時，能夠快速響應(yīng)自動實施保護(hù)動作,，防止故障損失擴(kuò)大,。監(jiān)控系統(tǒng)有利于最大限度地利用超級電容存儲能力，提高其循環(huán)壽命［1112］,。

　　核心部件為超級電容的某大電流放電實驗系統(tǒng),，可以提供短時大電流，主要用于測試?yán)^電器及接觸器等在大電流開合時的性能及壽命參數(shù),。在此實驗系統(tǒng)中,，基于人機(jī)界面觸摸屏（Human Machine Interaction，HMI）的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)由開關(guān)電源,、HMI,、可編程控制器（Programmable Logic Controller ，PLC）等多個硬件組成,，存在著硬件損壞,、軟件崩潰、通信失聯(lián)等可能,。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)自身失效時,，會造成不能正常對超級電容進(jìn)行狀態(tài)檢測、運行控制和故障保護(hù),，存在嚴(yán)重的安全隱患,。因此，對超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自身實行狀態(tài)監(jiān)控及保護(hù)也非常重要,。

　　本文首先分析基于HMI的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)各種可能的失效成因,，然后論述了電源故障、HMI故障,、超級電容通訊故障,、PLC故障等自保護(hù)方案。最后,，對實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自保護(hù)功能測試結(jié)果,。

1監(jiān)控系統(tǒng)自身失效分析

　　HMI是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，通過總線網(wǎng)絡(luò)連接多臺被監(jiān)控設(shè)備——超級電容,，實時獲取設(shè)備運行狀況,，并發(fā)送控制指令［1314］,。HMI一般還需要外接一臺PLC（也可以用可控I/O設(shè)備替代），用于獲取開關(guān)量等狀態(tài),，并且控制聲光組件等報警裝置動作,，最重要的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，能夠通過PLC操作外部裝置實現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù),，如切斷故障設(shè)備電源,、將故障部件解列、切除負(fù)載等,。

　　基于HMI的監(jiān)控系統(tǒng)典型硬件/網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示［15］,。

　　在這種監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC和HMI一般采用開關(guān)電源供電,，因此出現(xiàn)系統(tǒng)自身失效的可能包括：監(jiān)控系統(tǒng)掉電,、開關(guān)電源損壞、被監(jiān)控設(shè)備硬件損壞導(dǎo)致通信中斷,、被監(jiān)控設(shè)備軟件異常導(dǎo)致通信中斷,、總線網(wǎng)絡(luò)線路故障導(dǎo)致通信中斷、HMI硬件故障,、HMI軟件系統(tǒng)崩潰,、PLC硬件損壞、PLC程序異常,、HMI與PLC通信失聯(lián)等,。

　　故障按部件可分為：電源故障、超級電容故障,、HMI故障,、PLC故障。故障按類型可分為：硬件故障,、軟件故障,、通信故障。

　　根據(jù)工程經(jīng)驗,，出現(xiàn)故障的幾率從高到低依次為（被監(jiān)控設(shè)備由于種類很多，可靠性也各不相同,，因此不參加排序）：網(wǎng)絡(luò)線路故障,、電源故障、HMI軟件故障,、HMI硬件故障,、PLC故障。網(wǎng)絡(luò)線路由于接線松動,、蟲鼠災(zāi)害,、線路老化,、人為破壞、環(huán)境干擾等因素影響,，出現(xiàn)故障的可能性相對較高,。電源部分由于線路故障、供電質(zhì)量低,、雷擊,、開關(guān)電源易損等因素影響，也容易出現(xiàn)故障,。PLC雖然內(nèi)部也相當(dāng)復(fù)雜,，但是由于技術(shù)十分成熟，盡量選用西門子,、三菱,、歐姆龍等大廠的工業(yè)級產(chǎn)品，質(zhì)量還是十分可靠的,；而且在監(jiān)控系統(tǒng)中作為保護(hù)使用的PLC,，控制程序不需要十分復(fù)雜，因此故障率相對來說反而是最低的,。

2監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)設(shè)計

　　2.1電源故障自保護(hù)

　　常見電源故障包括系統(tǒng)掉電,、開關(guān)電源損壞等。電源故障檢測的關(guān)鍵問題是：發(fā)生電源故障后HMI和PLC都不能工作,。如何準(zhǔn)確地將故障對外展現(xiàn),，就需要在輸出電平定義上著手。

　　監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)輸出硬件原理如圖2所示,，PLC輸出端子Q0.1（可以改用其他任意輸出端子）用于指示監(jiān)控系統(tǒng)是否運行正常,，以及驅(qū)動相應(yīng)報警和保護(hù)裝置工作。

　　為了在出現(xiàn)電源故障時能夠正常指示監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài),，對Q0.1輸出電平定義如下：當(dāng)系統(tǒng)運行正常時,，輸出電平為高電平；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)自身失效時,，輸出電平為低電平,。

　　在系統(tǒng)正常運行時，HMI控制PLC的Q0.1值為1,，此時內(nèi)部等效開關(guān)閉合,，端子輸出高電平。當(dāng)系統(tǒng)整體掉電或開關(guān)電源損壞時,，不管PLC是否工作,，輸出電平肯定是低電平，此時報警裝置和保護(hù)裝置動作（報警和保護(hù)裝置要求采用獨立的電源,，或配備后備電源）,，解決了電源故障指示的問題,。

　　2.2HMI故障自保護(hù)

　　HMI故障通過PLC檢測，包括HMI硬件損壞,、HMI軟件異常,、PLC與HMI通信中斷。

　　監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時,，HMI會定期和PLC進(jìn)行通信,，但是如果不進(jìn)行特殊處理，PLC無法判斷HMI是否正常工作,，為了實現(xiàn)PLC對HMI工作狀態(tài)的檢測,，采用了心跳包技術(shù)。

　　心跳包就是通信雙方間按照一定的時間間隔發(fā)送一個簡短的通信指令通知對方自己的狀態(tài),，類似于心跳,，所以叫做心跳包［16］。

　　HMI每隔一段時間將PLC的M0.0（也可以是任意其他可用位地址）值翻轉(zhuǎn),，如果PLC檢測到該位的值連續(xù)一段時間保持不變,，就認(rèn)定HMI工作不正常或是PLC和HMI之間的通訊線路出現(xiàn)問題,。

　　PLC檢測HMI工作狀態(tài)的程序如圖3所示,，當(dāng)M0.0超時不變時，Q0.1值置0,，結(jié)合圖2可知,，端口輸出低電平。

　　2.3被監(jiān)控設(shè)備(超級電容)通信故障自保護(hù)

　　被監(jiān)控設(shè)備故障包括設(shè)備狀態(tài)故障和通信故障等,，只要通訊正常,，設(shè)備的其他故障理論上都能被檢測到并通過網(wǎng)絡(luò)通知HMI處置，因此不屬于監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)關(guān)注內(nèi)容,。本文只關(guān)注被監(jiān)控設(shè)備因為硬件損壞或軟件異常導(dǎo)致的通信中斷,，以及總線網(wǎng)絡(luò)線路故障導(dǎo)致HMI和被監(jiān)控設(shè)備通信不正常時的自保護(hù)。

　　HMI對設(shè)備監(jiān)控常用的兩種方式：（1)HMI主動模式,，HMI定期查詢設(shè)備狀態(tài)信息,；（2)HMI被動模式，設(shè)備定期向HMI上報狀態(tài)信息,。HMI被動模式還有一個變種模式：設(shè)備正常時只向HMI發(fā)送心跳包,，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)變化或異常時才會主動上報狀態(tài)信息或報警信息。不管采用哪種方式,，HMI和被監(jiān)控設(shè)備都有一個定期交互的過程，可以從此著手進(jìn)行保護(hù)設(shè)計,。

　　對于HMI主動定期查詢狀態(tài)信息的方式,，當(dāng)查詢指令發(fā)送后,，如果被監(jiān)控設(shè)備在設(shè)定的超時時間范圍內(nèi)沒有應(yīng)答，就可以認(rèn)定為通信超時,。容錯策略：當(dāng)發(fā)生通信超時后,，HMI嘗試重發(fā)查詢指令并等待設(shè)備應(yīng)答，在設(shè)定次數(shù)的重試失敗后才最終認(rèn)定設(shè)備通信中斷,。

　　被監(jiān)控設(shè)備定期上報信息的實現(xiàn)方式是,，HMI在內(nèi)存中維護(hù)一個待接收對象通信信息隊列，當(dāng)接收到設(shè)備上報信息后,，更新隊列中對應(yīng)對象的通信信息,。HMI周期性地輪詢隊列通訊狀態(tài)，如果某個被監(jiān)控設(shè)備的最后一次成功通信時間距當(dāng)前時刻超過設(shè)定時長,，則認(rèn)定被監(jiān)控設(shè)備通信中斷,。容錯策略：將超時時長設(shè)定為實際上報間隔的多倍長。

　　當(dāng)HMI檢測到被監(jiān)控設(shè)備通信中斷時,，一方面在HMI顯示屏上以指示燈及文字跑馬燈等形式指示故障,，同時控制PLC的Q0.1值為0，此時端子輸出低電平,。

　　2.4PLC故障自保護(hù)

　　PLC故障通過HMI檢測,，包括PLC硬件損壞、PLC程序異常,、HMI與PLC通信中斷,。

　　監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，HMI會定期和PLC進(jìn)行通信,。當(dāng)PLC因為硬件損壞或是通信線路故障導(dǎo)致無法和HMI進(jìn)行通信時,，HMI可以正常檢測到，但是要檢測PLC程序是否正常運行,，則需要特殊處理,。

　　HMI對PLC工作狀態(tài)檢測原理：PLC在主程序的尾部，定期將M0.1（也可以是任意其它可用位地址）的值翻轉(zhuǎn),；HMI定期讀取該位的值,，如果讀取失敗，則表明PLC損壞或是通信線路故障,；如果讀取成功但是該值一直保持不變,，則表明PLC沒有進(jìn)入運行狀態(tài)或是程序執(zhí)行有問題。

　　當(dāng)HMI檢測到PLC異常時,，一方面在HMI顯示屏上以指示燈及文字跑馬燈等形式指示故障,，同時用短信或郵件形式通知管理人員（僅限帶LAN接口的HMI）。

3監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)功能測試

　　3.1實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)簡介

　　實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)對象為Maxwell公司所生產(chǎn)的BMOD0063 P125系列超級電容模塊（Ultra Capacitor Module，UCM,，更通常的翻譯為Super Capacitor Module）,，該超級電容自帶CAN通信功能。人機(jī)界面觸摸屏（HMI）選用上海鴻昶Sukon070C,，該觸摸屏自帶2路485端口,、1路CAN端口。PLC選用西門子S7200 CPU222,。

　　超級電容監(jiān)控系統(tǒng)硬件/網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示（圖中SM為智能電表）,，軟件功能框架如圖5所示，系統(tǒng)調(diào)試主界面如圖6所示,。

　　該系統(tǒng)的PLC輸出包括三個保護(hù)端子,。Q0.2為UCM預(yù)警輸出端子，正常時低電平,，預(yù)警時高電平,；Q0.0為UCM報警輸出端子，正常時低電平,，報警時高電平,；Q0.1為系統(tǒng)自保護(hù)輸出端子，正常時高電平,，系統(tǒng)失效時低電平,。

　　3.2自保護(hù)功能測試分析

　　超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)功能測試結(jié)果如表1所示。

　　表中通信故障都有容錯處理,，通信超時一般都設(shè)置成500 ms,。

　　從表1中可以看出，超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)功能達(dá)到了設(shè)計要求,，可以有效保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行,。　　

4結(jié)論

　　超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)是加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性的重要措施,，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠在自身失效的時候及時告警,，通知管理人員，同時自動采取必要的保護(hù)措施確保被監(jiān)控設(shè)備安全,。

　　本文重點闡述了超級電容監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生電源故障,、HMI故障、超級電容通信故障,、PLC故障時,，系統(tǒng)實現(xiàn)自保護(hù)的方案。實驗證明,，該自保護(hù)設(shè)計方案是可行且有效的,。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 張純江,董杰,劉君,等. 蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)的控制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(4): 334-340.

　　［2］ SNCHEZSQUELLA A, ORTEGA R, GRIO R, et al. Dynamic energy router［J］. Control Systems, IEEE, 2010, 30(6): 72-80.

　?。?］ DE D, KLUMPNER C, PATEL C. Modelling and control of a multistage interleaved DCDC converter with coupled inductors for supercapacitor energy storage system［J］. Power Electronics, 2013, 6(7):1360-1375.

　?。?］ 張恩輝,齊智平,韋統(tǒng)振.超級電容器模組電壓平衡性能分析［J］.高電壓技術(shù),2010,36(10):25482554.

　?。?］ BARONTI F,FANTECHI G,RONCELLA R, et al. Highefficiency digitally controlled charge equalizer for seriesconnected cells based on switching converter and supercapacitor［J］.Industrial Informatics, 2013 ,9(2):1139-1147.

　?。?］ 易桂平,胡仁杰. 基于超級電容儲能系統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器研究［J］. 電力自動化設(shè)備, 2013, 33(12): 21-26.

　　［7］ 顧帥,韋莉, 張逸成, 等. 超級電容器老化特征與壽命測試研究展望［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013, 33(21): 145-153.

　?。?］ 許愛國, 謝少軍, 姚遠(yuǎn). 基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統(tǒng) ［J］. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010, 25(3): 117-123.

　?。?］ 趙洋, 梁海泉, 張逸成. 電化學(xué)超級電容器建模研究現(xiàn)狀與展望［J］. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(3): 188-193.

　　［10］ 張莉,金英華,王凱. 卷繞式超級電容器工作過程熱分析［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013, 33(9): 162-166.

　?。?1］ 郝美娟, 吳立鋒, 關(guān)永, 等. 超級電容容量動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計［J］. 計算機(jī)工程與設(shè)計, 2013, 34(12): 4374-4378.

　?。?2］ 徐文兵. 超級電容能量監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］. 上海:上海交通大學(xué), 2008.

　　［13］ VYATKIN V. Software engineering in industrial automation: stateoftheart review［J］. Industrial Informatics, 2013, 9(3): 12341249.

　?。?4］ 湯霖,王保山,熊易,等.數(shù)字式交流特高壓避雷器在線監(jiān)測系［J］.高電壓技術(shù),2009,35(11):2624-2628.

　?。?5］ 洪堯生, 方瑞明, 彭長青,等. 大電流放電實驗系統(tǒng)中超級電容監(jiān)控保護(hù)設(shè)計［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2014,33(24):22-24.

　　［16］ 胡志坤,，何多昌,，桂衛(wèi)華，等. 基于改進(jìn)心跳包機(jī)制的整流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 計算機(jī)應(yīng)用, 2008, 28(2):363-366.