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故障的自保護方案，解決了監(jiān)控系統(tǒng)自身失效的檢測和保護問題。最后，對實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護功能進行了測試，結(jié)果表明，該自保護設(shè)計方案確實是可行和有效的。

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

　　中圖分類號：TP319文獻標識碼：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)的自保護設(shè)計［J］.微型機與應(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，并進行相應(yīng)控制反饋；當預(yù)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(yīng)自動實施保護動作，防止故障損失擴大。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，主要用于測試繼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。當發(fā)生系統(tǒng)自身失效時，會造成不能正常對超級電容進行狀態(tài)檢測、運行控制和故障保護，存在嚴重的安全隱患。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故障等自保護方案。最后，對實際開發(fā)的超級電容監(jiān)控系統(tǒng)進行自保護功能測試結(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，最重要的是當系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障時，能夠通過PLC操作外部裝置實現(xiàn)系統(tǒng)保護，如切斷故障設(shè)備電源、將故障部件解列、切除負載等。

　　基于HMI的監(jiān)控系統(tǒng)典型硬件/網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1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)自保護設(shè)計

　　2.1電源故障自保護

　　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：當系統(tǒng)運行正常時，輸出電平為高電平；當系統(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裝置動作（報警和保護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

　　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進行通信，但是如果不進行特殊處理，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，就認定HMI工作不正?；蚴荘LC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

　　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。

　　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，可以從此著手進行保護設(shè)計。

　　對于HMI主動定期查詢狀態(tài)信息的方式，當查詢指令發(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，就可以認定為通信超時。容錯策略：當發(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)存中維護一個待接收對象通信信息隊列，當接收到設(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前時刻超過設(shè)定時長，則認定被監(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

　　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進行通信。當PLC因為硬件損壞或是通信線路故障導(dǎo)致無法和HMI進行通信時，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沒有進入運行狀態(tài)或是程序執(zhí)行有問題。

　　當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)拓撲如圖4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)自保護輸出端子，正常時高電平，系統(tǒng)失效時低電平。

　　3.2自保護功能測試分析

　　超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護功能測試結(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)的自保護功能達到了設(shè)計要求，可以有效保護監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行?！　?/p>

4結(jié)論

　　超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護是加強系統(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)自保護的方案。實驗證明，該自保護設(shè)計方案是可行且有效的。

　　參考文獻

　?。?］ 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.

　?。?］ 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.

　?。?］ 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］. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(21): 145-153.

　　［8］ 許愛國, 謝少軍, 姚遠. 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］. 計算機工程與設(shè)計, 2013, 34(12): 4374-4378.

　　［12］ 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.

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

　　［15］ 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)控保護設(shè)計［J］. 微型機與應(yīng)用, 2014,33(24):22-24.

　?。?6］ 胡志坤，何多昌，桂衛(wèi)華，等. 基于改進心跳包機制的整流遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 計算機應(yīng)用, 2008, 28(2):363-366.