基于西門子PLC的大容量鎳鎘蓄電池組智能維護(hù)系統(tǒng)研制

　　摘 要：利用西門子公司小型PLC為控制中心，5.7英寸觸摸屏為操作顯示平臺(tái)，加上晶閘管的整流和有源逆變技術(shù)組成了大容量鎘鎳電池組的智能維護(hù)系統(tǒng)即電池活化裝置。它的出現(xiàn)克服了鎘鎳電池長(zhǎng)期使用造成的“記憶”效應(yīng)，大大提高了蓄電池的使用壽命。

　　大容量鎘鎳電池以其放電電流大，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)長(zhǎng)期以來(lái)在*、鐵路、電力、石油等領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。但是鎘鎳電池明顯的缺點(diǎn)就是存在“記憶”效應(yīng)，它的存在大大的降低了電池的利用效率、嚴(yán)重時(shí)電池組不能放電。例如：鐵路客車上大量使用的由GN300Ah鎘鎳電池組成的電池組，在段修中須同時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢修維護(hù)，主要就是對(duì)其進(jìn)行容量恢復(fù)。為滿足該項(xiàng)工作的工藝要求，在路局科委的支持下，通過(guò)與專業(yè)廠家合作，開(kāi)發(fā)研制了利用西門子S7200可編程序控制器為控制中心，加上可控硅充放電技術(shù)的電池智能維護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有對(duì)鎘鎳電池進(jìn)行充電、放電和自動(dòng)維護(hù)（如：自動(dòng)三充兩放）等功能，充放電電流最高可達(dá)300A，電壓最高可達(dá)500V。加上大屏幕觸摸屏操作界面，具有各種參數(shù)設(shè)定方便，記錄自動(dòng)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)自動(dòng)打印，充放電自動(dòng)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，較大地提高了工作效率，減輕了充電工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備質(zhì)量和工作性能。下面，將該系統(tǒng)簡(jiǎn)述如下：

　　1 系統(tǒng)的硬件組成：

　　整個(gè)系統(tǒng)由兩大部分組成，即以西門子S7200可編程序控制器為核心的自動(dòng)控制和管理中心和以可控硅整流電路為中心的主電路。系統(tǒng)原理圖如下：

　　圖1：系統(tǒng)框圖

　　1.1 控制和管理中心：

　　以西門子S7200小型PLC CPU-224為中心，其自身帶14點(diǎn)輸入、10點(diǎn)輸出開(kāi)關(guān)量，12K的程序存儲(chǔ)器，8K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;外圍擴(kuò)展EM235作為模擬量輸入輸出模塊，此模塊具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，A/D和D/A轉(zhuǎn)換精度為雙極性12位精度;系統(tǒng)電壓、電流經(jīng)電壓、電流變送器轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供PLC采集、運(yùn)算和顯示。人機(jī)操作界面由步進(jìn)科技的eview5.7英寸觸摸人機(jī)界面來(lái)完成。MT4300L與CPU224通過(guò)RS485通信交換數(shù)據(jù)。操作員可通過(guò)其設(shè)定此設(shè)備的充放電電流值、充放電結(jié)束電壓值、充放電時(shí)間、電池組擱置時(shí)間、記錄間隔時(shí)間等工作參數(shù);根據(jù)實(shí)際需要選擇充電、放電、放充和充放充等工作模式;并可自動(dòng)記錄100次歷史記錄供保存和查閱，報(bào)表自動(dòng)打印輸出。

　　CPU224接收外圍給它的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和EM235提供的模擬量數(shù)字信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備的工作過(guò)程和工作狀態(tài)的判斷，如檢測(cè)到外圍交流發(fā)生故障時(shí)，CPU接到命令立即停止所有工作并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示工作人員進(jìn)行檢修;CPU通過(guò)模擬PI調(diào)節(jié)程序經(jīng)EM235輸出0-10V模擬信號(hào)來(lái)控制BSC6F-1數(shù)字型晶閘管觸發(fā)板的觸發(fā)脈沖，從而控制晶閘管導(dǎo)通角a的導(dǎo)通程度控制設(shè)備的輸出電流、輸出電壓等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的數(shù)字化和智能化。

　　1.2 充電逆變主電路:

　　主要由隔離變壓器，三相全橋組合可控硅和全數(shù)字可控硅觸發(fā)板組成。隔離變壓器采用Y/D-11接法，可控硅觸發(fā)板采用BSC6F-1型數(shù)字觸發(fā)器，六路脈沖對(duì)稱度不需要調(diào)整且具有相序自檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)相、斷相等故障時(shí)其自動(dòng)封鎖觸發(fā)脈沖，并發(fā)出信號(hào)報(bào)警。觸發(fā)板本身具有過(guò)壓，過(guò)流等保護(hù)和軟啟動(dòng)功能。整流運(yùn)行時(shí)晶閘管導(dǎo)通角α角工作在0-1500之間;逆變運(yùn)行時(shí)β角工作在30-900之間，從而有效的防止逆變失敗。

　　1.3 觸摸屏操作界面:

　　MT4300L型觸摸屏為深圳步科電氣推出5.7英寸256色度彩色人機(jī)界面，它可與多家PLC進(jìn)行連接通信。此系統(tǒng)通過(guò)RS485信號(hào)經(jīng)PPI協(xié)議與西門子S7PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制，觸摸屏的使用徹底結(jié)束以往控制系統(tǒng)中繁多按鈕、指示燈的應(yīng)用，加上漢字顯示信息顯示更加清楚直觀。如圖2：

　　圖2：顯示界面

　　2 工作過(guò)程及特點(diǎn):

　　電池的活化即容量恢復(fù)共有三個(gè)階段組成。第一階段為電池的深度放電，通過(guò)可控硅有源逆變技術(shù)將電池組的直流電逆變回饋電網(wǎng)，也就是電池組的恒流放電過(guò)程，通過(guò)人機(jī)界面MT4300L顯示電池組電壓、放電電流和放電時(shí)間等。放電電流一般為0.2C5（C5 為電池組的容量），電池組放電終止電壓為1×Nv（N為電池組的只數(shù)）。電池的放電過(guò)程其實(shí)是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，當(dāng)單只電池電壓放電至1V時(shí)，相當(dāng)于電池的深度放電，因此放電結(jié)束不能馬上對(duì)電池組進(jìn)行充電，否則影響電池組的使用壽命。第二階段為電池組的擱置過(guò)程，CPU224自動(dòng)記錄電池組的擱置時(shí)間，當(dāng)擱置時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間（一般擱置時(shí)間應(yīng)設(shè)置2小時(shí)），自動(dòng)進(jìn)入第三個(gè)階段，即電池組均充。電池組的均充電流為0.2C5A，整個(gè)均充分兩個(gè)過(guò)程，即恒流充電階段和恒壓限流階段，整個(gè)過(guò)程全部由控制中心來(lái)協(xié)調(diào)完成。一般電池組充電結(jié)束條件為8小時(shí)充電或單只電池電壓爬升到1.65V。從開(kāi)始放電到充電結(jié)束整個(gè)活化過(guò)程全部由PLC控制中心來(lái)完成，無(wú)須人員操作。為了使設(shè)備具有良好的適用性，利用西門子S7200PLC控制靈活等特點(diǎn)，設(shè)備設(shè)置了4種工作模式即充電、放電、放充和充放充模式;且充放充模式可以設(shè)置循環(huán)次數(shù)，如循環(huán)次數(shù)設(shè)置兩次，設(shè)備能自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的“三充兩放”。

　　圖3：主程序流程

　　3 軟件設(shè)計(jì)思想

　　西門子S7200PLC可采用梯形圖語(yǔ)言編程、語(yǔ)句表和功能圖三種編程語(yǔ)言。本系統(tǒng) 采用最貼近工程設(shè)計(jì)和易懂的編程語(yǔ)言梯形圖;編程軟件采用STEP7-MICRO/WIN V32。整個(gè)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分主程序、初始化子程序、充電子程序、放電子程序、歷史數(shù)據(jù)存取子程序、AD采樣子程序和DA輸出控制等七個(gè)子程序。觸摸屏人機(jī)界面MT4300L和CPU224之間由RS485通信（PPI通信協(xié)議）通過(guò)變量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 VW來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)間的交換和控制。上述四項(xiàng)功能程序中分別容進(jìn)了電壓、電流模擬量采集、運(yùn)算、顯示和控制程序。

　　梯形圖的編寫主要運(yùn)用了定時(shí)器、數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算等指令。因活化裝置要有恒定的電流輸出，所以CPU224通過(guò)EM235模擬量輸出給可控硅觸發(fā)板BSC6F-1電流給定值需要模擬PI運(yùn)算;即采集的實(shí)際電流數(shù)字值（反饋值）與操作員通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定的給定電流值進(jìn)行比較，CPU經(jīng)相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過(guò)EM235模擬輸出0-10V的直流電壓信號(hào)，此信號(hào)傳給晶閘管觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)壓，從而保證系統(tǒng)恒流充電和恒流放電。梯形圖程序如下：

　　圖4：充電電流調(diào)整梯形圖程序

　　梯形圖程序中VW302為電壓顯示值寄存器，VW68為電壓設(shè)定值寄存器;VW300為電流顯示值寄存器，VW66為充電電流設(shè)定值寄存器;VW632為模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字量暫存器。Q0.3閉合表示充電，當(dāng)電池組電壓值VW302小于設(shè)定值VW68且電流值VW300小于設(shè)定充電電流值VW66，模擬量輸出值VW632不斷增大到充電電流等于設(shè)定電流值為止（VW632最大值為31999）;反之，VW632值不斷遞減。當(dāng)充電電壓高于設(shè)定的電壓值時(shí)，模擬量輸出值不斷遞減，保證充輸出電電壓不高于設(shè)定的電壓值。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)于2007年研制投入試用，經(jīng)過(guò)1年多的現(xiàn)場(chǎng)考核，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，并開(kāi)始在路內(nèi)外推廣使用，獲得使用單位的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn):

[1]. PLC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. RS485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.