毕业论文基于HMI的PLC的超级电容充放电控制系统的设计

1、毕业设计（论文）20132014学年度基于HMI和PLC的超级电容充放电控制系统的设计学生姓名学 院物理科学与电子技术学院 专 业电气工程及其自动化 班 级学 号指导教师2014年5月20日基于HMI的PLC的超级电容充放电控制系统的设计摘要本文在介绍PLC和人机界面（HMI）的基础上，提出了超级电容充放电控制系统的设计方案，设计并制作了用于超级电容充电的恒流源，并利用PLC软件进行模拟量输入和数值运算，利用HMI软件绘制人机界面，对超级电容在充放电过程中的荷电状态进行实时监控，实验表明，本设计能实现对超级电容充放电的控制，达到了预期的目标。关键词：超级电容，PLC，HMI，恒流源The De

2、sign of Super capacitorCharge and Discharge control system Based on HMI and PLCABSTRACTOn the basis of PLC and human-machine interface (HMI), the super capacitor charge and discharge control system design scheme was proposed. We design a constant current source for super capacitor charging, and we u

3、se PLC software for analog input and numerical calculation. Besides, the use of HMI software is to render the man-machine interface and monitor the super capacitor in the process of charging and discharging charged state in time. From the experiment results, this design can control the super capacit

4、ors charge and discharge, which achieve the expected goal.KEY WORDS：supercapacitor，PLC，HMI，constant current source目录1 绪论1 研究背景1 超级电容的现状1 本课题研究的内容及意义22 PLC概述2 PLC简介2 欧姆龙PLC的编程器件区3 PLC工作原理与组成单元32.3.1 PLC的工作原理32.3.2 PLC的组成单元3 PLC的特点43 HMI概述5 HMI简介5 HMI的基本功能5 HMI的组成及其工作原理64 超级电容介绍6 超级电容SOC的定义6 超级电容的结构6

5、超级电容的充放电特性75 超级电容充放电控制系统的设计8 恒流源设计8 恒流源电路图8 恒流源实物图9 硬件设计105.2.1 PLC的I/O分配表105.2.2 PLC外部接线图10 充电电路图11 实物连接图11 PLC的程序设计12 HMI的界面设计15 通讯连接15 地址分配16 界面设计16 调试17 调试前注意事项175.5.2 PLC程序调试175.5.3 HMI界面186 总结19参考文献20致谢21附录221 绪 论1.1 研究背景超级电容作为一种新型的储能器件,有着其无可替代的优越性，它结合了锂离子电池和双电层电容两者的优点，已经成为近年来研究的热点之一。超级电容又称双电层

6、电容器，它是介于普通电容器和充电电池间的一种新型的储能元件。碳电极、有机聚合物电极以及金属氧化物电极则是超级电容常用的三种电极材料。与传统的电化学电池相比，超级电容的优点越发突出，除了充电的速度快效率高、电容的功率密度高、循环使用寿命很长的优点外它还有控制简单、低温性能优越、绿色环保等优点，由此可见，超级电容必定具有广阔的应用前景。超级电容用途非常广泛：在混合动力汽车中，超级电容器非常高的功率密度就很好地满足了电车在起动、加速、爬坡时对功率的需求，因此可以作为混合型电动车的加速或起动电源；在电子类方面，除了可以用作玩具电池，还可以作为医疗机械设备的急救电源；超级电容的储能装置在电力系统中也可作

7、为一种精致补偿器来改善系统电压的质量，此外，超级电容在光伏发电系统和微电网中也有着很广泛的用途和应用前景1。1.2 超级电容的现状超级电容器作为一种性能卓越的储能元件，可以作为独立电源或复式电源使用，广泛应用在备用电源、脉冲放电、启动、牵引动力等领域。自1957 年美国人Becker 发布第一篇关于超级电容器的专利以来, 超级电容器以其特有的优点为各国政府、军事部门及工业界所重视, 并得到很大程度上的发展。在超级电容的研究及应用方面, 美国、日本和俄罗斯走在世界的前列。超级电容的研究在我国虽然起步比较晚，但是通过努力也取得了杰出的成果。2004年7月份，由上海的十多家科研单位联合开发的首部超级

8、电容公交车快速充电系统通过验收，并在投入试运行。2006年8月，超级电容公交车11路示范线正式通车。目前超级电容的容量也已经能达到法拉级甚至上万法拉，常用的超级电容的电容量是0.1F5000F，能够实现快速充放电和大电流放电，比蓄电池具有更长的循环使用寿命（充放电次数可达10万次），更高的功率密度（可达1000W/kg数量级）。由此可见，我国在超级电容方面的自主知识产权也达到了国际领先的水平2。1.3 本课题研究的内容及意义Li离子、NiMH等新型电池有着比较合理的能量储存方案，并且也广泛应用在各个领域，但是众所周知，化学电池的原理是电化学反应，通过产生法拉第电荷的转移来储存电荷的，故它们的使

9、用寿命较短，并且很容易受温度的影响，当然这也是铅酸电池（蓄电池）所面临的难题3。由于这些电池的寿命受大电流的直接影响，因此，对于那些长寿命、高可靠性要求的某些应用，这些电池的不足就日渐突出，超级电容器作为一种新型储能装置，由于它的储能的过程是可逆的，而且可以反复充放电数十万次，具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点登上了时代舞台。超级电容的充放电特性是超级电容的一个重要的指标，对超级电容充放电控制系统的研究也就具有很重要的意义。2 PLC概述PLC是英文Programmable Logic Controller的缩写，意为可编程序逻辑控制器。世界上第一台PLC于1969年由

10、美国数字设备公司（DEC）研制成功。随着科技的发展，PLC的功能也逐渐增强，它也不再局限于逻辑控制，因此，美国电气制造协会（NEMA）于1980年把它重命名为可编程控制器（Programmable Controller）,简称PC，但是由于PC与个人计算机的英文缩写PC（Personal Computer）容易发生混淆，于是人们便习惯将PLC当成缩写。由于PLC一直在发展之中，最后的定义尚未确定。国际电工委员会（IEC）给出PLC的最新定义是：PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计的，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等

11、操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。2.1 PLC简介日本欧姆龙公司是世界著名的PLC生产商之一，欧姆龙公司的PLC小型机与其他日本品牌的小型机一样非常有特色，某些欧美中大型机能实现的控制功能，用欧姆龙小型机就可以实现。欧姆龙公司PLC产品分为大、中和小型机，大、中型机采用模块式结构，小型机采用整体式结构。CP1H/CP1L/CJ1和CS1系列分别是欧姆龙主推的小、中、大型PLC。CP1H/CP1L具有与CJ1、CS1几乎一样的内部存储结构，故可使用CJ1、CS1一样的梯

12、形图编程。CP1H系列的PLC是欧姆龙公司于2005年推出的小型机。该机型外型小巧，速度极快，执行基本命令仅需0.1us，且内置功能强大。CP1H系列PLC设备与CS/CJ系列共通的体系结构，最多同时带7台欧姆龙CPM1A系列的扩展I/O及两台CJ1系列的高功能I/O或高功能CPU单元，大大增强了开关量和模拟量的扩展能力。另外，CP1H系列PLC取消了手持编程的支持，它采用USB接口与编程计算机连接，还提供了RS-232C和RS-485接口与外接设备进行连接通信4。2.2 欧姆龙PLC的编程器件区PLC的I/O存储区又称编程器件区（或称软元件区），PLC编程过程可以看作是用指令对该区域进行操作

13、的过程。CP1H系列PLC的I/O的存储区可以分为通道I/O区（CIO区）、内部辅助继电器区（WR）、保持继电器区（HR）、特殊辅助继电器区（AR）、暂存继电器区（TR）、定时器区（TIM）、计数器区（CNT）、数据存储器区（DM）、变址寄存器区（IR）、数据寄存器区（DR）、任务标志区（TK）等。2.3 PLC工作原理与组成单元2.3.1 PLC的工作原理PLC是由一种程序控制运行的设备。其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令时，程序运行结束。PLC运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后并不会马上停止，而是又重头开始再执行存储器中的程序，如此周

14、而复始，PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。2.3.2 PLC的组成单元PLC主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。其组成单元如图2-1所示。输入设备输入接口电源CPU输出接口输出设备通信接口存储器扩展接口扩展单元编程器打印机人机界面计算机其它PLC图2-1 典型的PLC控制系统组成框图2.4 PLC的特点PLC是一种专为工业应用而设计的控制器，它主要有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强：为了适应工业应用的要求，PLC从硬件和软件方面采用了大量的技术措施，以便能在恶劣环境下长时间可靠运行，现在大多数PLC的平均无故障运行时间可达几十万小时。2.通用性强，控制程

15、序可变：PLC可利用齐全的各种硬件装置来组成各种控制系统，用户不必自己再设计或者制作硬件装置。硬件装置确定以后，即使在生产设备更新或者生产工艺流程改变的情况下，用户也无需大量改变PLC硬件设备，只需更改PLC的程序就能满足要求。3.功能强，且适应范围广：现代PLC不仅有逻辑运算，顺序控制，定时、计数等功能外，还具有模拟量和数字量的输入输出端口、功率驱动、人机对话、通信和自检等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线、又可以控制一个生产过程。4.编程简单，易用易学：目前大多数PLC采用梯形图编程方式，梯形图语言的编程元件符号和表达式方式与继电控制的电路原理图非常相近，这样使大多数工厂企业电气技术人

16、员非常容易接受和掌握。5.系统设计、调试和维修方便：PLC软件取代了大量的时间继电器、中间继电器、计数器等继电器控制系统中的器件，大大减少了控制柜在设计安装接线时工作量。另外，通过计算机在实验室仿真调试PLC用户程序，减少了现场调试的工作量。此外，由于PLC结构模块化及很强的自我诊断能力，维修也极为方便。3 HMI概述本系统设计中使用了威纶通公司的HMI,所谓HMI就是Human machine interface的缩写。翻译成中文是人机界面，也叫人机接口，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介。HMI是连接可编程控制器（PLC）、仪表、变频器等的工控设备，利用人机界面可以实现显示屏显示功能

17、，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）进行工作参数的写入和操作命令的输入，实现人与机器信息交互的数字设备，主要由软件和硬件两部分组成。3.1 HMI简介本设计中采用OMRON NB-Z系列可编程终端的NB7W-TW00B-Z。 NB7W-TW00B-Z采用了7英寸高亮度16:9 TFT液晶显示屏，具有很高的性价比。由于采用了LED背光，比传统的CCFL背光更加环保、更加节能、使用寿命更长。另外它还支持U盘和SD卡扩展，能够存储大容量数据，同时USB还可以连接打印机等外设。NB-Z系列显示设备（PT：可编程终端）可用于显示信息及接收输入操作。能以图形形式向用户展示系统和设备的运行状态。开关可置

18、于显示区域，用于将输入信号发送至主设备。显示设备同时可方便操作者快速查看和响应系统或设备中的错误。3.2 HMI的基本功能人机界面具有设备工作状态的显示（文字、按钮、指示灯、曲线、图形等），数据、文字输入操作、打印输出，设备生产数据记录，简单逻辑和数值运算等功能，且可以连接多种工控设备。3.3 HMI的组成及其工作原理人机界面由软件和硬件两个部分组成，硬件部分由数据存储器、处理器、输入单元、显示单元、通讯接口等组成，人机界面的性能高低取决于处理器的性能高低，因此处理器处于核心地位。根据HMI产品等级的不同，处理器的选择有8位、16位、32位三种。人机界面软件一般分成两部分，分别是系统软件和画面

19、组态软件，其中系统软件运行于HMI硬件，组态软件运行于PC机Windows操作系统。使用者必须先用画面组态软件制作“工程文件”，再通过人机界面和PC机的串行通讯口（如RS-232C、RS-485、以太网等）进行通讯，在处理器中下载编制好的“工程文件”，然后运行即可。4 超级电容介绍4.1 超级电容SOC的定义SOC，英文全称state of charge，是电池行业用语标称荷电状态或者剩余容量。蓄电池使用了一段时间或者长期搁置不用后的剩余容量与它完全充电状态的容量的比值，也常用百分数来表示。SOC=1即表示为电池充满状态。荷电状态（SOC）是标称当前电池容量的状态的参数，是控制蓄电池的重要指标

20、。通过对准确可靠的状态参数进行电池的控制与管理，能够更好地使用电池组，并且延长使用寿命。超级电容也存在荷电状态的参数，其含义与蓄电池荷电状态含义一致。4.2 超级电容的结构碳电极材料、水合物电极材料、金属氧化物材料以及导电聚合物电极材料是超级电容常用电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳，其结构图如图4-1所示，碳电极材料的表面积很大，其中电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容量值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为15000F。超级电容的电解质是超级电容结构的核心部分，一般需要有很高的化学稳定性和较高的导电性，所以

21、一般选用导电性较好的金属和石墨来充当。电解质材料有两类，一类是有机类，另一类是无机类，还可以将材料分固态类和液态类两大类。我们通常利用使用功率来选择使用固态的、水溶液的或者是有机的电解质。常用的有机电解质隔膜有聚合物或纸，而常用的水溶液电解质有可陶瓷隔膜或玻璃纤维。此外，超级电容的隔离膜的作用是防止相邻的两电极发生短路，一般使用多孔隔膜，这样就可以保证接触电阻尽量薄，尽量小5。总而言之，超级电容的性能很大程度上受制造技术、电解质的组成、电极的材料以及隔离膜质量的影响。 图4-1超级电容器结构图4.3 超级电容的充放电特性为了探讨电容的充电特性，人们分别使用20A 和50A的充电电流对超级电容进

22、行充电，观察这段时间电容电流和电压变化情况。得出如图4-2，4-3所示的充电特性曲线5。图4-2 20A充电曲线 图4-350A充电曲线由图可知，电流由0逐渐上升至额定电流，当达到了额定电压，再对其进行恒压充电。恒压时，可以看出，电流逐渐减小最后降为0。因此该过程可以看成恒流向恒压转换的过程。根据电容的原理，电容的端电压与电流有如下关系：C ×V = i dt (1)式中，i 是通过超级电容的电流。若i 恒定为I 时，上式变为C ×V = I ×T (2)式中， I 可视为超级电容的充电电流，T 为电流持续的时间。在充电过程中，若C 不变，则超级电容端电压就与时间

23、T就存在线性关系。由图4-2，4-3可以看出，超级电容的电压确实是近似线性变化的，这就说明超级电容具有线性充电特性。从上图还可以看出，充电时间随着充电电流的增大而减小，并且通过计算可以得出，用大电流充入的电量会比用小电流充入的电量多5。假设电流取负值，这就说明这时超级电容放电的过程类似于充电过程，电荷量也在线性变化。下图是北京集星公司生产的SU2400P-0027V-1RA型超级电容在不同电流下的线性放电曲线。 图4-4放电曲线由图4-4可知，放电伊始，电压值有一个突降过程，然后观察电容的端电压会发现：端电压会随着放电时间的增加近似的线性减小。当达到放电的终止电压后，在断开放电负载的瞬间，端电

24、压将会回升，进而进入放电弛缓状态。放电的电流过大以及放电瞬间等效串联电阻的反向压降是端电压回落的两个重要原因，并且随着的电流越大，这种电压突降现象会越明显。5 超级电容充放电控制系统的设计5.1 恒流源设计5.1.1 恒流源电路图为了能对超级电容进行充电，设计了一款简易恒流源，其工作原理图如图5-1所示，电路所用的元器件列表，见附录一。图5-1恒流源的电路图恒流源又叫电流源、稳流源，是一种宽频谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点，主要用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器及需要设定额定电流、动作电流、短路保护电流等生产

25、场合。恒流源的实质是利用器件LM317对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于稳定6。5.1.2 恒流源实物图恒流源实物图包含很多个部件，如PCB板，变压器，散热器以及四个电容器，具体实物图如图5-2所示。图5-2 恒流源及超级电容照片5.2 硬件设计5.2.1 PLC的I/O分配表根据控制要求，确定PLC输入输出点数，并明确输入输出的地址，地址分配如表5-1所示。表5-1 PLC的I/O分配表输入模拟量输入200203开始充电停止充电复位输出过充指示灯恒流源充电器KM充电状态指示灯5.2.2 PLC外部接线图根据I/O分配表画出PLC的外部接线图，如图5-所示。HMIKMSB

26、1 P L C 24V COM恒流源充电器过充指示灯SB2SB3模拟量输入充电指示灯220V图 5-3 PLC外部接线图5.2.3 充电电路图外部接线图中，具体的恒流源的充电电路，如图5-4所示。 220VKM恒流源充电器A B C D 至PLC的A/D转接口图 5-4 充电电路图5.2.4 实物连接图整个实验需要用到电脑对PLC进行编程以及对人机界面的绘制，需要恒流源对超级电容供电，需要PLC软件和人机界面供电的供电电源。具体连接图如下：图5-5 实物连接图5.3 PLC的程序设计对于该课题的研究，梯形图的程序可以分为两大段，即程序初始化阶段和程序运行阶段。或者分为九小段，具体如下：（1）

27、电容容量输入图5-6所示的程序目的是将电容容量700F送至D10通道便于后面的算术运算。图5-6 电容容量输入程序（2） 数据转换关系设定线性转换指令SCL指令需要用到两个坐标（0，0），（0BB8，50），图5-7所示程序的目的就是将4个数据传送到D20开始的连续4个通道里。传送过程中需要注意横坐标和纵坐标以及传送数字的类型是十进制BCD数还是十六进制数。此外，该段程序将5V的电压放大至50V，目的是提高电压的精度。图5-7 数据转换关系设定程序（3） 块传送利用块传送指令将上面传送的线性转换4个数分别传送到W0，W5，W10和W15开始的连续4个通道里，为下面的模拟量的线性转换打下基础，其

28、程序如图5-8所示。图5-8 块传送程序（4） 模拟量的转换将4个电容器的电压分别传送到200通道开始的连续四个通道内，并且通过线性转换SCL指令将采集过来的数据进行线性转换，计算出4个电容器的电压（是实际电压的十倍），然后存放在以D0开始的连续4个通道内，其程序如图5-9所示。图5-9模拟量的转换程序（5） 电容数值缩小十倍由于之前将电压变成原来的10倍，现在则将电容变为原来的1/10，即该段程序的目的是保持计算的电荷量不发生变化，具体程序如图5-10所示。图5-10 电容数值缩小10倍（6） 电荷量的计算根据电容电荷量的计算公式：Q=C*U，计算出参考电荷量以及4个电容器的电荷量，其中4个

29、电容器的电荷量分别存放在D41，D43，D45，D47四个不连续的通道，目的是为了进行块比较指令，方便与参考电荷量进行比较，其程序如图5-11所示。图5-11 电荷量的计算程序（7） 块比较指令图5-12的程序的目的是将4个电容的电荷量分别与参考电荷量进行比较。图5-12 块比较程序（8） 指示灯图5-13所示的程序中若一个电容器的电荷量超过参考电荷，H0的0到3位必然会输出1，会亮，达到报警的目的，当电压低于额定电压按下0.02则会复位。图5-13 过充指示程序（9） 电容充电的控制按下0.00电容器的充电，按下电容器停止充电，其程序如图5-14所示。图5-14 电容充电控制程序5.4 HM

30、I的界面设计5.4.1 通讯连接图5-15 通讯连接图5.4.2 地址分配人机界面和PLC的通讯连接是通过地址的一致性来实现的，人机界面每个控件与PLC地址的对应关系，详见表5-2。表5-2 人机界面的地址分配表电压电容电容器AD0 电容器AD41电容器BD1 电容器BD43电容器CD2 电容器CD45 电容器DD3 电容器DD47参考电荷量D30启动按钮停止按钮电源指示灯过充指示灯5.4.3 界面设计图5-16控制界面图5-17 曲线图本文的关键对超级电容进行实时监控，因此需要对于四个电容器分别进行电压和充电电荷量的监测以及绘制电荷量变化的曲线图，实时监控画面如图5-16，图5-17所示。5

31、.4.4 调试前注意事项(1) 确保HMI正负接线柱接对，给HMI上24V的电压；(2) 确保模拟量接入PLC的A/D接口；(3)确保实验前PLC和HMI均上电。5.4.5 PLC程序调试在PLC程序编写和调试的过程中遇到了一些问题，其具体的问题以及解决方案如下：(1) 关于SCL指令实验过程中需要将SCL指令用到的两个点，这两个点确定了一条直线，但是在数据传输过程中，需要注意的是横坐标必须是十六进制数，而纵坐标必须是BCD数，用数字15来举例，十六进制的表示形式为#1111，BCD数表示为&15。由于没注意这个细节导致，SCL指令运行出错。(2) 关于块比较指令用通道41，43，45

32、，47分别存放电容A、B、C、D的电荷量，而40、42、44、46存放数字0，比较结果放在保持继电区，如表5-3所示。表5-3 块比较下限值上限值结果通道40通道： 041通道：电容器A的电荷量H0042通道： 043通道：电容器B的电荷量H0144通道： 045通道：电容器C的电荷量H0246通道： 047通道：电容器D的电荷量H03如果参考电荷量在0实际的电荷量之间，即实际电荷量超过了额定电荷量，对应的H的某一位为1，从而指示灯亮，也就达到了警示目的。(3) 关于计算通过计算可知，电容的最大电荷量不超过2000库伦，采用电压放大10倍，来提高电压的精度，而电容降低10倍，最终根据电荷量的公

33、式：Q=C * U ，计算出的电荷量不变，同时也避免了双字除法的运算，简化了程序。5.4.6 HMI界面(1) 人机界面的主界面下图是人机界面的主界面，由图5-9可知，原来很抽象的电压，电荷量，通过界面可以直观地看出目前的电荷状况，达到了实时监控的目的。图5-18 运行人机界面图(2)充电、放电曲线图图5-19 充电放电曲线图上图是超级电容的充放电曲线，由曲线可知，电容的电荷量与时间呈现线性的关系，而且放电瞬间电荷量先有个突降，然后再缓慢变小。曲线与所包围的面积是电容的电荷量，也就是说，充电时间越长，所充的电荷量就越多。左图是每个超级电容的曲线图，右图是超级电容分别在1A、2A、3A的充电电流

34、下的充电曲线图，由图可知，电流越大，斜率越大，充电也越快。6 总结经过一个多月的努力，从论文的选题，到具体的内容的构思，再到现在论文的最终完成，每个阶段都凝聚着老师的心血和我的辛勤汗水。本文研究的主题是超级电容充放电控制系统，超级电容的电荷量是能量管理的重要环节，能够为今后的控制提供重要的数据参考。本文在前人的基础上，结合超级电容本身的特性，利用HMI和PLC相结合的方法，实现了对超级电容的充放电状态的实时监控。结合本文，所做的工作和主要成果如下：1.设计了一个恒流源，为超级电容的充电提供了方便。2.本文结合了HMI和PLC两个软件，搭建了能够对超级电容的充放电进行实时监控的系统。通过PLC将电容的模拟量采集过来然后传给HMI，在HMI上可以看到超级电容的电压电荷变化状态，并且也可以在HMI上对电容进行充电的控制。超级电容充放电特性的研究有着很大的应用前景，但是能量监控却不是一个简单的系统，有着很多难点技术，壁垒也很高，如超级电容单体的电压均衡技术，容量检测技术等。由于研究时间和本人的研究水平的限制，仍然有许多的研究工作没有完成。希望日后能够对其做出深入的探究，并且在未知领域中取得一定的成果。参考文献1 郝国亮. 超级电容荷电状态计算方法的研究.电力大学电力系统及其自动化专业学位论文.2012