摘  要： 對一種大電流放電實驗系統(tǒng)中的超級電容進行監(jiān)控保護設計。監(jiān)控保護系統(tǒng)硬件結構由人機界面、智能電表、可編程邏輯控制器構成，能夠?qū)崿F(xiàn)實時參數(shù)及狀態(tài)顯示、單個超級電容詳細參數(shù)及狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自保護、超級電容預警聯(lián)動、超級電容報警聯(lián)動、超級電容設置、報警記錄與事件記錄查詢等功能。另外，重點闡述了CAN通信實現(xiàn)、系統(tǒng)自保護實現(xiàn)、預、報警聯(lián)動等關鍵技術的實現(xiàn)。工程運行結果表明，系統(tǒng)運行十分可靠，技術值得推廣。

　　關鍵詞： 大電流放電實驗；超級電容；監(jiān)控；保護

0 引言

　　大電流放電實驗系統(tǒng)采用恒流源進行充電，可以提供短時大電流，主要用于測試繼電器及接觸器等在大電流開合時的性能及壽命參數(shù)。

　　超級電容可以在極短的時間內(nèi)吸收或釋放相當大的功率，是大電流放電實驗系統(tǒng)的核心組成部件。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)境將會導致其壽命大大降低[1-4]。

　　因此，必須監(jiān)控超級電容的電壓、電流和溫度等，當預測到存在故障隱患時及時報警通知管理人員進行維護和處置，防患于未然；當發(fā)生破壞性故障時，能夠快速響應自動實施保護動作，防止故障損失擴大[5-6]。

　　本文首先介紹大電流放電實驗系統(tǒng)，然后詳細論述超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)的硬件結構面和功能架構，接著重點闡述監(jiān)控保護系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，最后介紹工程應用情況。

1 大電流放電實驗系統(tǒng)

　　本文所研究的大電流放電實驗系統(tǒng)原理接線如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由6個超級電容模塊串聯(lián)而成，采用100 A電流源進行充電，輸出提供最高800 V、瞬時1 000 A放電電流。

　　超級電容模塊（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個共48個電容組件串聯(lián)而成。該系列超級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，可以實時獲取超級電容模塊的當前溫度、各節(jié)電壓數(shù)值、電壓不均衡狀況及各種預警與報警狀態(tài)[3-4]。

2 超級電容監(jiān)控保護設計

　　2.1 超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)的硬件結構

　　超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主要由人機界面（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。

　　人機界面為7寸觸摸屏，采用組態(tài)進行編程開發(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。

　　超級電容模塊內(nèi)置通信組件，采用CAN總線與人機界面通信，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)，當總電壓達到限值時切斷充電回路，智能電表和人機界面之間采用Modbus協(xié)議通信。

　　PLC主要用于獲取各個開關狀態(tài)，同時進行預、報警聯(lián)動控制開關狀態(tài)，PLC與人機界面之間采用西門子PPI協(xié)議通信。

2.2 超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架

　　超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)的功能框架如圖3所示。

　　主要參數(shù)及狀態(tài)顯示：顯示總電壓及其實時趨勢圖、UCM1#~6#的溫度和全電壓數(shù)值、系統(tǒng)主要運行與監(jiān)控狀態(tài)等。

　　單個UCM詳細參數(shù)及狀態(tài)顯示：分別顯示每個UCM的溫度、內(nèi)部每節(jié)電壓（共6節(jié)，每節(jié)相對輸出末端的電壓差，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)）、預報警狀態(tài)、溫度實時曲線、全電壓實時曲線等。

　　系統(tǒng)自保護：當系統(tǒng)掉電、開關電源等部件損壞、UCM死機或通信失聯(lián)、HMI死機或通信失聯(lián)、SM死機或失聯(lián)、PLC死機或通信失聯(lián)等場合下，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實現(xiàn)保護動作。

　　UCM預警聯(lián)動：當任意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，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實現(xiàn)保護動作，預警涵括報警。

　　UCM報警聯(lián)動：當任意UCM溫度超上限報警、全電壓超上限報警、電壓德爾塔峰值超上限報警發(fā)生時，能夠在HMI顯示和PLC輸出端做出反應并實現(xiàn)保護動作。

　　UCM設置：與UCM進行通信，設置UCM的地址標識、數(shù)據(jù)上報時間間隔及上報內(nèi)容等參數(shù)。

　　報警記錄與事件記錄查詢：報警記錄指UCM上報數(shù)據(jù)中的前述預報警信息記錄。事件記錄指預報警發(fā)生時，HMI觸發(fā)的事件和處理動作記錄。

3 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的技術關鍵

　　3.1 CAN通信實現(xiàn)

　　目前國內(nèi)銷售的帶CAN接口的組態(tài)人機界面觸摸屏可選型號很多，但是大部分人機界面只支持標準CANOpen協(xié)議（一種基于CAN 2.0規(guī)范的應用層協(xié)議）通信，而Maxwell超級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，因此人機界面選型對后續(xù)開發(fā)十分重要。

　　經(jīng)過反復對比分析，最終選定某公司開發(fā)的“LEVI-777A”型人機界面，該型號人機界面支持各種通用CAN擴充協(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、幀標識、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標識位來判斷通信是否成功。

　　3.2 系統(tǒng)自保護實現(xiàn)

　　作為超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)，其自身的可靠性十分關鍵，系統(tǒng)失效的情況包括：系統(tǒng)掉電、開關電源等部件損壞、UCM死機或通信失聯(lián)、HMI死機或通信失聯(lián)、SM死機或失聯(lián)、PLC通信失聯(lián)等。

　　系統(tǒng)自保護的PLC輸出IO接線如圖5所示，正常情況下Q0.1輸出高電平，當系統(tǒng)出現(xiàn)前述失效情況時，Q0.1輸出低電平，報警繼電器輸出使用常閉觸點。

　　實現(xiàn)原理：正常時HMI控制Q0.1=1，并按一定周期給PLC發(fā)送心跳信號（翻轉(zhuǎn)M0.0值）；當系統(tǒng)掉電和開關電源損壞時，24 V輸出為0，輸出電平肯定為低電平；當UCM死機或失聯(lián)及SM死機或失聯(lián)時，HMI通過Lamp標識位檢測，然后直接控制使Q0.1=0，輸出變?yōu)榈碗娖?；當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、報警聯(lián)動

　　UCM預警情況：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。當發(fā)生UCM預警時，PLC控制啟動聲光報警裝置。

　　UCM報警情況：溫度超上限報警、全電壓超上限報警、峰值德爾塔超上限報警。當發(fā)生UCM報警時，PLC控制切斷充放電回路開關斷路器。

　　實現(xiàn)原理：UCM以50 ms為周期，不斷通過CAN總線主動向HMI上報UCM狀態(tài)信息，其中包括了上述預、報警信息。HMI使用多個后臺腳本（多線程）分別監(jiān)控每個UCM的狀態(tài)，當任意一個UCM出現(xiàn)預、報警時，通過控制PLC的IO輸出實現(xiàn)聲光報警或切斷開關斷路器。

4 監(jiān)控保護系統(tǒng)運行主界面

　　超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)運行主界面如圖6所示。

5 結論

　　本文設計的超級電容監(jiān)控保護系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試后測試結果表明，系統(tǒng)運行十分可靠，各個界面的狀態(tài)數(shù)據(jù)更新正確，顯示延時小于100 ms；預、報警準確，HMI顯示延時小于50 ms，PLC預、報警聯(lián)動動作延時小于150 ms；當出現(xiàn)系統(tǒng)自保護失效的情況時，HMI和PLC指示正確，HMI指示反應延時小于300 ms，PLC指示反應延時小于1 000 ms。

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