彭長青，尚榮艷

　　（華僑大學(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)自身失效的檢測和保護(hù)問題。最后，對(duì)實(shí)際開發(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、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，主要用于測試?yán)^電器及接觸器等在大電流開合時(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、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)際開發(fā)的超級(jí)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(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(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)來說反而是最低的。

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(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(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(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，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)問題。

　　PLC檢測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?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)刻超過設(shè)定時(shí)長，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)長設(shè)定為實(shí)際上報(bào)間隔的多倍長。

　　當(dāng)HMI檢測到被監(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(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)致無法和HMI進(jìn)行通信時(shí)，HMI可以正常檢測到，但是要檢測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(yùn)行狀態(tài)或是程序執(zhí)行有問題。

　　當(dāng)HMI檢測到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)功能測試

　　3.1實(shí)際開發(fā)的超級(jí)電容監(jiān)控系統(tǒng)簡介

　　實(shí)際開發(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)功能測試分析

　　超級(jí)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(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。

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