彭長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,，超級(jí)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(wèn)題,。為此,，提出了解決電源故障、HMI故障,、超級(jí)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(cè)和保護(hù)問(wèn)題,。最后,，對(duì)實(shí)際開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)功能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明,，該自保護(hù)設(shè)計(jì)方案確實(shí)是可行和有效的。

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

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

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

0引言

　　*基金項(xiàng)目：廈門科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502720153029）

　　超級(jí)電容是一種新型的電能存儲(chǔ)裝置，具有功率密度大,、充放電時(shí)間短,、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn),。它可以在極短的時(shí)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(dòng)車輛、風(fēng)力發(fā)電,、航空和激光武器等很多領(lǐng)域的儲(chǔ)能系統(tǒng)［16］,。

　　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［710］,。超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)視超級(jí)電容運(yùn)行狀況，并進(jìn)行相應(yīng)控制反饋,；當(dāng)預(yù)測(cè)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。監(jiān)控系統(tǒng)有利于最大限度地利用超級(jí)電容存儲(chǔ)能力,，提高其循環(huán)壽命［1112］,。

　　核心部件為超級(jí)電容的某大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以提供短時(shí)大電流,，主要用于測(cè)試?yán)^電器及接觸器等在大電流開(kāi)合時(shí)的性能及壽命參數(shù),。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，基于人機(jī)界面觸摸屏（Human Machine Interaction,，HMI）的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源,、HMI、可編程控制器（Programmable Logic Controller ,，PLC）等多個(gè)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(shí)，會(huì)造成不能正常對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè),、運(yùn)行控制和故障保護(hù),，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，對(duì)超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)自身實(shí)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(jí)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(jí)電容通訊故障,、PLC故障等自保護(hù)方案。最后,，對(duì)實(shí)際開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自保護(hù)功能測(cè)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(guò)總線網(wǎng)絡(luò)連接多臺(tái)被監(jiān)控設(shè)備——超級(jí)電容,，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀況,，并發(fā)送控制指令［1314］。HMI一般還需要外接一臺(tái)PLC（也可以用可控I/O設(shè)備替代）,，用于獲取開(kāi)關(guān)量等狀態(tài),，并且控制聲光組件等報(bào)警裝置動(dòng)作，最重要的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí),，能夠通過(guò)PLC操作外部裝置實(shí)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(kāi)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(kāi)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(jí)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(yàn),，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(dòng),、蟲(chóng)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(duì)較高。電源部分由于線路故障,、供電質(zhì)量低,、雷擊、開(kāi)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(jí)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(duì)來(lái)說(shuō)反而是最低的,。

2監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)設(shè)計(jì)

　　2.1電源故障自保護(hù)

　　常見(jiàn)電源故障包括系統(tǒng)掉電、開(kāi)關(guān)電源損壞等,。電源故障檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)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(duì)外展現(xiàn)，就需要在輸出電平定義上著手,。

　　監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行正常，以及驅(qū)動(dòng)相應(yīng)報(bào)警和保護(hù)裝置工作,。

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

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

　　2.2HMI故障自保護(hù)

　　HMI故障通過(guò)PLC檢測(cè),，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(shí),，HMI會(huì)定期和PLC進(jìn)行通信，但是如果不進(jìn)行特殊處理,，PLC無(wú)法判斷HMI是否正常工作,，為了實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)HMI工作狀態(tài)的檢測(cè)，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(shí)間間隔發(fā)送一個(gè)簡(jiǎn)短的通信指令通知對(duì)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(shí)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(cè)到該位的值連續(xù)一段時(shí)間保持不變，就認(rèn)定HMI工作不正?；蚴荘LC和HMI之間的通訊線路出現(xiàn)問(wèn)題,。

　　PLC檢測(cè)HMI工作狀態(tài)的程序如圖3所示，當(dāng)M0.0超時(shí)不變時(shí),，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(jí)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(cè)到并通過(guò)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?yàn)橛布p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(shí)的自保護(hù)。

　　HMI對(duì)設(shè)備監(jiān)控常用的兩種方式：（1)HMI主動(dòng)模式,，HMI定期查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)信息；（2)HMI被動(dòng)模式,，設(shè)備定期向HMI上報(bào)狀態(tài)信息,。HMI被動(dòng)模式還有一個(gè)變種模式：設(shè)備正常時(shí)只向HMI發(fā)送心跳包，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)變化或異常時(shí)才會(huì)主動(dòng)上報(bào)狀態(tài)信息或報(bào)警信息,。不管采用哪種方式,，HMI和被監(jiān)控設(shè)備都有一個(gè)定期交互的過(guò)程，可以從此著手進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì),。

　　對(duì)于HMI主動(dòng)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(shí)時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有應(yīng)答,，就可以認(rèn)定為通信超時(shí),。容錯(cuò)策略：當(dāng)發(fā)生通信超時(shí)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(bào)信息的實(shí)現(xiàn)方式是，HMI在內(nèi)存中維護(hù)一個(gè)待接收對(duì)象通信信息隊(duì)列,，當(dāng)接收到設(shè)備上報(bào)信息后,，更新隊(duì)列中對(duì)應(yīng)對(duì)象的通信信息。HMI周期性地輪詢隊(duì)列通訊狀態(tài),，如果某個(gè)被監(jiān)控設(shè)備的最后一次成功通信時(shí)間距當(dāng)前時(shí)刻超過(guò)設(shè)定時(shí)長(zhǎng),，則認(rèn)定被監(jiān)控設(shè)備通信中斷。容錯(cuò)策略：將超時(shí)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為實(shí)際上報(bào)間隔的多倍長(zhǎng),。

　　當(dāng)HMI檢測(cè)到被監(jiān)控設(shè)備通信中斷時(shí),，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(shí)控制PLC的Q0.1值為0,，此時(shí)端子輸出低電平,。

　　2.4PLC故障自保護(hù)

　　PLC故障通過(guò)HMI檢測(cè)，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(shí),，HMI會(huì)定期和PLC進(jìn)行通信,。當(dāng)PLC因?yàn)橛布p壞或是通信線路故障導(dǎo)致無(wú)法和HMI進(jìn)行通信時(shí)，HMI可以正常檢測(cè)到,，但是要檢測(cè)PLC程序是否正常運(yùn)行,，則需要特殊處理,。

　　HMI對(duì)PLC工作狀態(tài)檢測(cè)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(méi)有進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)或是程序執(zhí)行有問(wèn)題。

　　當(dāng)HMI檢測(cè)到PLC異常時(shí),，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(shí)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(cè)試

　　3.1實(shí)際開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　實(shí)際開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)對(duì)象為Maxwell公司所生產(chǎn)的BMOD0063 P125系列超級(jí)電容模塊（Ultra Capacitor Module,，UCM,，更通常的翻譯為Super Capacitor Module），該超級(jí)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(jí)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(gè)保護(hù)端子。Q0.2為UCM預(yù)警輸出端子,，正常時(shí)低電平,，預(yù)警時(shí)高電平；Q0.0為UCM報(bào)警輸出端子,，正常時(shí)低電平,，報(bào)警時(shí)高電平；Q0.1為系統(tǒng)自保護(hù)輸出端子,，正常時(shí)高電平,，系統(tǒng)失效時(shí)低電平。

　　3.2自保護(hù)功能測(cè)試分析

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

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

　　從表1中可以看出,，超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，可以有效保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行?！　?/p>

4結(jié)論

　　超級(jí)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(shí)候及時(shí)告警,，通知管理人員，同時(shí)自動(dòng)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(diǎn)闡述了超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生電源故障,、HMI故障、超級(jí)電容通信故障,、PLC故障時(shí),，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自保護(hù)的方案。實(shí)驗(yàn)證明,，該自保護(hù)設(shè)計(jì)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(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(4): 334-340.

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

　　［3］ 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(jí)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.

　　［6］ 易桂平,胡仁杰. 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器研究［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(12): 21-26.

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

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

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

　?。?0］ 張莉,金英華,王凱. 卷繞式超級(jí)電容器工作過(guò)程熱分析［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(9): 162-166.

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

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

　?。?3］ 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(cè)系［J］.高電壓技術(shù),2009,35(11):2624-2628.

　　［15］ 洪堯生, 方瑞明, 彭長(zhǎng)青,等. 大電流放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中超級(jí)電容監(jiān)控保護(hù)設(shè)計(jì)［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2014,33(24):22-24.

　?。?6］ 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(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2008, 28(2):363-366.