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)

超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)設(shè)計*

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)

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(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，對實際開發(fā)的超級電容監(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)計方案確實是可行和有效的。

超級電容；人機界面；監(jiān)控系統(tǒng)；自保護(hù)

0 引言

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(dāng)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(jìn)行相應(yīng)控制反饋；當(dāng)預(yù)測到存在故障隱患時及時報警通知管理人員進(jìn)行維護(hù)和處置，防患于未然；當(dāng)發(fā)生破壞性故障時，能夠快速響應(yīng)自動實施保護(hù)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?yán)^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(dāng)發(fā)生系統(tǒng)自身失效時，會造成不能正常對超級電容進(jìn)行狀態(tài)檢測、運行控制和故障保護(hù)，存在嚴(yán)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(hù)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(hù)方案。最后，對實際開發(fā)的超級電容監(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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，能夠通過PLC操作外部裝置實現(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]。

圖1 典型監(jiān)控系統(tǒng)硬件(網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

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(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，因此故障率相對來說反而是最低的。

2 監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)設(shè)計

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(hù)裝置工作。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)輸出硬件原理圖

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(dāng)系統(tǒng)運行正常時，輸出電平為高電平；當(dāng)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(dāng)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(hù)裝置動作(報警和保護(hù)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。

2.2 HMI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，HMI會定期和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(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超時不變時，Q0.1值置0，結(jié)合圖2可知，端口輸出低電平。

圖3 HMI狀態(tài)檢測程序

2.3 被監(jiān)控設(shè)備(超級電容)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(hù)。

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(dāng)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(jìn)行保護(hù)設(shè)計。

對于HMI主動定期查詢狀態(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)定的超時時間范圍內(nèi)沒有應(yīng)答，就可以認(rèn)定為通信超時。容錯策略：當(dāng)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(rèn)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(hù)一個待接收對象通信信息隊列，當(dāng)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(dāng)前時刻超過設(shè)定時長，則認(rèn)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(dāng)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。

2.4 PLC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，HMI會定期和PLC進(jìn)行通信。當(dāng)PLC因為硬件損壞或是通信線路故障導(dǎo)致無法和HMI進(jìn)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(jìn)入運行狀態(tài)或是程序執(zhí)行有問題。

當(dāng)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(hù)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(hù)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?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。

圖4 超級電容監(jiān)控系統(tǒng)硬件(網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

該系統(tǒng)的PLC輸出包括三個保護(hù)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(hù)輸出端子，正常時高電平，系統(tǒng)失效時低電平。

圖5 超級電容監(jiān)控系統(tǒng)功能框架

圖6 超級電容監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試主界面

3.2 自保護(hù)功能測試分析

超級電容監(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(hù)功能達(dá)到了設(shè)計要求，可以有效保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行。

表1 自保護(hù)功能測試結(jié)果

4 結(jié)論

超級電容監(jiān)控系統(tǒng)自保護(hù)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(hù)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(hù)的方案。實驗證明，該自保護(hù)設(shè)計方案是可行且有效的。

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Self-protection design on the super capacitor monitoring system

Peng Changqing,Shang Rongyan

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

In the large-current discharge experiment system,the super capacitor monitoring system has problems such as hardware damage,software crash,and communication loss.Therefore,this paper proposed a self-protection scheme of the power failure,HMI fault,communication failure of the super capacitor,and PLC fault,which solves the failure detection and protection problem of the monitoring system.Finally,the self-protection function test of the actual super capacitor monitoring system shows that the self-protection scheme is indeed feasible and effective.

super capacitor; human machine interaction; monitoring system; self-protection

廈門科技計劃項目(3502720153029)

TP319

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.008

彭長青，尚榮艷.超級電容監(jiān)控系統(tǒng)的自保護(hù)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(10)：26-29.

2016-11-25)

彭長青(1976-)，男，碩士，主要研究方向：電氣裝置狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

尚榮艷(1975-)，女，博士，主要研究方向：電氣裝置狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。