基于西門子PLC的大容量鎳鎘蓄電池組智能維護系統研制

摘 要：利用西門子公司小型PLC為控制中心，5.7英寸觸摸屏為操作顯示平臺，加上晶閘管的整流和有源逆變技術組成了大容量鎘鎳電池組的智能維護系統即電池活化裝置。它的出現克服了鎘鎳電池長期使用造成的“記憶”效應，大大提高了蓄電池的使用壽命。

關鍵詞：電池活化、PLC、模擬PI、鎘鎳電池“記憶”效應

　　大容量鎘鎳電池以其放電電流大，使用壽命長等優點長期以來在軍隊、鐵路、電力、石油等領域占有舉足輕重的地位。但是鎘鎳電池明顯的缺點就是存在“記憶”效應，它的存在大大的降低了電池的利用效率、嚴重時電池組不能放電。例如：鐵路客車上大量使用的由GN300Ah鎘鎳電池組成的電池組，在段修中須同時對其進行檢修維護，主要就是對其進行容量恢復。為滿足該項工作的工藝要求，在路局科委的支持下，通過與專業廠家合作，開發研制了利用西門子S7200可編程序控制器為控制中心，加上可控硅充放電技術的電池智能維護系統。此系統具有對鎘鎳電池進行充電、放電和自動維護（如：自動三充兩放）等功能，充放電電流最高可達300A，電壓最高可達500V。加上大屏幕觸摸屏操作界面，具有各種參數設定方便，記錄自動存儲，數據自動打印，充放電自動轉換等優點，較大地提高了工作效率，減輕了充電工人的勞動強度，提高了設備質量和工作性能。下面，將該系統簡述如下：

1 系統的硬件組成：

　　整個系統由兩大部分組成，即以西門子S7200可編程序控制器為核心的自動控制和管理中心和以可控硅整流電路為中心的主電路。系統原理圖如下：

　　1.1 控制和管理中心：

　　以西門子S7200小型PLC CPU-224為中心，其自身帶14點輸入、10點輸出開關量，12K的程序存儲器，8K的數據存儲器;外圍擴展EM235作為模擬量輸入輸出模塊，此模塊具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，A/D和D/A轉換精度為雙極性12位精度;系統電壓、電流經電壓、電流變送器轉換成0-5V的標準信號供PLC采集、運算和顯示。人機操作界面由步進科技的eview5.7英寸觸摸人機界面來完成。MT4300L與CPU224通過RS485通信交換數據。操作員可通過其設定此設備的充放電電流值、充放電結束電壓值、充放電時間、電池組擱置時間、記錄間隔時間等工作參數;根據實際需要選擇充電、放電、放充和充放充等工作模式;并可自動記錄100次歷史記錄供保存和查閱，報表自動打印輸出。

　　CPU224接收外圍給它的開關量信號和EM235提供的模擬量數字信號，自動進行設備的工作過程和工作狀態的判斷，如檢測到外圍交流發生故障時，CPU接到命令立即停止所有工作并發出聲光報警信號，提示工作人員進行檢修;CPU通過模擬PI調節程序經EM235輸出0-10V模擬信號來控制BSC6F-1數字型晶閘管觸發板的觸發脈沖，從而控制晶閘管導通角a的導通程度控制設備的輸出電流、輸出電壓等，實現了設備的數字化和智能化。

　　1.2 充電逆變主電路:

　　主要由隔離變壓器，三相全橋組合可控硅和全數字可控硅觸發板組成。隔離變壓器采用Y/D-11接法，可控硅觸發板采用BSC6F-1型數字觸發器，六路脈沖對稱度不需要調整且具有相序自檢測電路，當發生錯相、斷相等故障時其自動封鎖觸發脈沖，并發出信號報警。觸發板本身具有過壓，過流等保護和軟啟動功能。整流運行時晶閘管導通角α角工作在0-1500之間;逆變運行時β角工作在30-900之間，從而有效的防止逆變失敗。

　　1.3 觸摸屏操作界面:

　　MT4300L型觸摸屏為深圳步科電氣推出5.7英寸256色度彩色人機界面，它可與多家PLC進行連接通信。此系統通過RS485信號經PPI協議與西門子S7PLC進行數據交換和控制，觸摸屏的使用徹底結束以往控制系統中繁多按鈕、指示燈的應用，加上漢字顯示信息顯示更加清楚直觀。如圖2：

2 工作過程及特點:

　　電池的活化即容量恢復共有三個階段組成。第一階段為電池的深度放電，通過可控硅有源逆變技術將電池組的直流電逆變回饋電網，也就是電池組的恒流放電過程，通過人機界面MT4300L顯示電池組電壓、放電電流和放電時間等。放電電流一般為0.2C5（C5 為電池組的容量），電池組放電終止電壓為1×Nv（N為電池組的只數）。電池的放電過程其實是一個化學反應過程，當單只電池電壓放電至1V時，相當于電池的深度放電，因此放電結束不能馬上對電池組進行充電，否則影響電池組的使用壽命。第二階段為電池組的擱置過程，CPU224自動記錄電池組的擱置時間，當擱置時間達到設定時間（一般擱置時間應設置2小時），自動進入第三個階段，即電池組均充。電池組的均充電流為0.2C5A，整個均充分兩個過程，即恒流充電階段和恒壓限流階段，整個過程全部由控制中心來協調完成。一般電池組充電結束條件為8小時充電或單只電池電壓爬升到1.65V。從開始放電到充電結束整個活化過程全部由PLC控制中心來完成，無須人員操作。為了使設備具有良好的適用性，利用西門子S7200PLC控制靈活等特點，設備設置了4種工作模式即充電、放電、放充和充放充模式;且充放充模式可以設置循環次數，如循環次數設置兩次，設備能自動的實現對電池組的“三充兩放”。

3 軟件設計思想

　　西門子S7200PLC可采用梯形圖語言編程、語句表和功能圖三種編程語言。本系統 采用最貼近工程設計和易懂的編程語言梯形圖;編程軟件采用STEP7-MICRO/WIN V32。整個程序采用模塊化結構設計，分主程序、初始化子程序、充電子程序、放電子程序、歷史數據存取子程序、AD采樣子程序和DA輸出控制等七個子程序。觸摸屏人機界面MT4300L和CPU224之間由RS485通信（PPI通信協議）通過變量數據存儲器 VW來進行數據間的交換和控制。上述四項功能程序中分別容進了電壓、電流模擬量采集、運算、顯示和控制程序。

　　梯形圖的編寫主要運用了定時器、數學邏輯運算等指令。因活化裝置要有恒定的電流輸出，所以CPU224通過EM235模

　　擬量輸出給可控硅觸發板BSC6F-1電流給定值需要模擬PI運算;即采集的實際電流數字值（反饋值）與操作員通過人機界面設定的給定電流值進行比較，CPU經相應數學運算，通過EM235模擬輸出0-10V的直流電壓信號，此信號傳給晶閘管觸發電路實現數字調壓，從而保證系統恒流充電和恒流放電。梯形圖程序如下：

　　梯形圖程序中VW302為電壓顯示值寄存器，VW68為電壓設定值寄存器;VW300為電流顯示值寄存器，VW66為充電電流設定值寄存器;VW632為模數轉換數字量暫存器。Q0.3閉合表示充電，當電池組電壓值VW302小于設定值VW68且電流值VW300小于設定充電電流值VW66，模擬量輸出值VW632不斷增大到充電電流等于設定電流值為止（VW632最大值為31999）;反之，VW632值不斷遞減。當充電電壓高于設定的電壓值時，模擬量輸出值不斷遞減，保證充輸出電電壓不高于設定的電壓值。

4 結束語

　　該系統于2007年研制投入試用，經過1年多的現場考核，完全滿足現場要求，并開始在路內外推廣使用，獲得使用單位的一致好評。

參考文獻

　　S7-200可編程序控制器設計手冊 SIEMENS公司 2002

　　eView 4000 系列觸摸屏使用手冊 深圳步進科技

　　晶閘管控制觸發板原理 西安天工電力電子研究所

　　電力電子變流技術 西安交通大學 黃俊 王兆安編 1993