Süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma tasarımı
Peng Changqing, Shang Rongyan
(Bilgi Bilimi ve Mühendisliği Fakültesi, Huaqiao Üniversitesi, Xiamen, Fujian 361021)
: Yüksek akım deşarj deney sisteminde, süper kapasitör izleme sisteminde donanım hasarı, yazılım çökmesi ve iletişim kaybı gibi sorunlar vardır. Bu nedenle, izleme sisteminin kendi arızasının algılama ve koruma sorunlarını çözen elektrik kesintisi, HMI arızası, süper kapasitör iletişim arızası ve PLC arızasını çözmek için bir kendini koruma şeması önerilmiştir. Son olarak, gerçekten geliştirilmiş süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma işlevi test edilir ve sonuç, kendini koruma tasarım şemasının gerçekten uygulanabilir ve etkili olduğunu gösterir.
: Süper kapasitör; insan-makine arayüzü; izleme sistemi; kendini koruma
: TP319 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.10.008
Alıntı biçimi Peng Changqing, Shang Rongyan Süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma tasarımı J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (10): 26-29.
0 Önsöz
* Fon Projesi: Xiamen Bilim ve Teknoloji Planı Projesi (3502720153029)
Süper kapasitörler, yüksek güç yoğunluğu, kısa şarj ve deşarj süresi, uzun çevrim ömrü ve geniş çalışma sıcaklığı aralığı avantajlarına sahip yeni bir elektrik enerjisi depolama cihazı türüdür. Çok kısa sürede önemli bir gücü absorbe edebilir veya serbest bırakabilir ve diğer ekipmanlar için tampon görevi görebilir, elektrikli araçlar, rüzgar enerjisi, havacılık ve lazer silahları gibi birçok alanda enerji depolama sistemlerine uygulanmıştır [1-6].
Bununla birlikte, süper kapasitörün nominal gerilimi düşüktür ve çok sayıda hücrenin seri ve paralel olarak çalışması gerekir.Kullanım koşulları, ortam sıcaklığı, şarj akımı, ön gerilim, hücre parametreleri ve diğer birçok faktör süper kapasitörün performansını ve zorlu çalışma ortamını etkileyecektir. Ömrünün büyük ölçüde kısalmasına neden olur [7-10]. Süper kapasitör izleme sisteminin işlevi, süper kapasitörün çalışma durumunu gerçek zamanlı olarak izlemek ve ilgili kontrol geri bildirimini gerçekleştirmektir; Gizli bir arıza tehlikesi olduğu tahmin edildiğinde, sorunu oluşmadan önce önlemek için derhal alarm verir ve bakım ve imha için yönetim personeline bildirimde bulunur; yıkıcı bir arıza meydana geldiğinde, Arıza kayıplarının artmasını önlemek için hızlı yanıt ve koruma eylemlerinin otomatik uygulanması. İzleme sistemi, süper kapasitörlerin depolama kapasitesinin kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve döngü ömürlerini iyileştirmek için elverişlidir [11-12].
Temel bileşen, yüksek akım açma ve kapama sırasında rölelerin ve kontaktörlerin performans ve ömür parametrelerini test etmek için kullanılan, kısa süreli yüksek akım sağlayabilen süper kapasitörlerin yüksek akım deşarj deneysel sistemidir. Bu deneysel sistemde, İnsan Makine Etkileşimine (HMI) dayalı süper kapasitör izleme sistemi, anahtarlamalı güç kaynağı, HMI, programlanabilir mantık denetleyicisi (Programlanabilir Mantık Denetleyici, PLC) ve diğer donanımlardan oluşur ve donanım zarar görür. , Yazılım çöküyor, iletişim kaybı vb. Sistemin kendisi arızalandığında, süper kapasitörün durum tespiti, çalışma kontrolü ve arıza korumasının normal olarak süper kapasitörün durum tespiti, çalışma kontrolü ve arıza korumasını gerçekleştirememesine neden olur ve ciddi güvenlik riskleri vardır. Bu nedenle, süper kapasitör izleme sisteminin kendisinin durum izlemesini ve korumasını uygulamak da çok önemlidir.
Bu makale ilk olarak HMI tabanlı süper kapasitör izleme sisteminin olası arızalarının nedenlerini analiz ediyor ve ardından elektrik kesintisi, HMI arızası, süper kapasitör iletişim arızası ve PLC arızası gibi kendini koruma şemalarını tartışıyor. Son olarak, gerçekten geliştirilen süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma işlevi test sonuçları.
1 İzleme sisteminin kendisinin arıza analizi
HMI, izleme sisteminin çekirdeğidir ve gerçek zamanlı cihaz çalışma durumunu elde etmek ve kontrol komutları göndermek için bir veri yolu ağı aracılığıyla birden fazla izlenen cihazı - süper kapasitörleri - birbirine bağlar [13-14]. HMI genellikle, açma-kapama değerlerinin durumunu elde etmek ve acousto-optik bileşenler gibi alarm cihazlarının hareketlerini kontrol etmek için kullanılan harici bir PLC gerektirir (kontrol edilebilir bir I / O cihazı ile değiştirilebilir). En önemlisi, sistemde ciddi bir arıza olduğunda, Harici cihaz, hatalı ekipmanın güç kaynağının kesilmesi, hatalı bileşenlerin boşaltılması ve yükün kaldırılması gibi sistem korumasını gerçekleştirmek için PLC tarafından çalıştırılabilir.
HMI tabanlı bir izleme sisteminin tipik donanım / ağ topolojisi Şekil 1'de gösterilmektedir [15].
Bu tür bir izleme sisteminde, PLC ve HMI genellikle anahtarlamalı güç kaynağını kullanır, bu nedenle sistemin arızası şunları içerebilir: izleme sisteminin güç kesintisi, anahtarlama güç kaynağında hasar, izlenen cihazın donanımında hasar, sonuçta iletişim kesintisi ve izlenen cihazın anormal yazılımı iletişime neden olur. Kesinti, veri yolu ağ hattı arızası, iletişim kesintisine, HMI donanım arızasına, HMI yazılım sisteminin çökmesine, PLC donanım hasarına, PLC program anormalliğine, HMI ve PLC iletişim kaybına vb. Neden olur.
Hatalar bileşenlere ayrılabilir: elektrik kesintisi, süper kapasitör arızası, HMI arızası, PLC arızası. Hatalar, donanım hataları, yazılım hataları ve iletişim hataları olarak ikiye ayrılabilir.
Mühendislik deneyimine göre, arıza olasılığı yüksekten düşüğe doğrudur (izlenen ekipmanın birçok türü ve farklı güvenilirliği vardır, bu nedenle sıralamaya katılmaz): ağ hattı arızası, elektrik kesintisi, HMI yazılım arızası, HMI donanım arızası, PLC arıza. Gevşek kablolama, haşere felaketleri, hat yaşlanması, insan yapımı hasar ve çevresel müdahale gibi faktörlerin etkisinden dolayı, şebeke hatlarının arıza olasılığı nispeten yüksektir. Güç kaynağı parçası ayrıca hat arızası, düşük güç kaynağı kalitesi, yıldırım düşmeleri ve anahtarlama güç kaynağının kırılganlığı gibi faktörlerden dolayı arızalanmaya eğilimlidir. PLC dahili olarak oldukça karmaşık olsa da, teknoloji çok olgun olduğu için, Siemens, Mitsubishi, Omron ve diğer büyük fabrikalardan endüstriyel sınıf ürünleri seçmeye çalışın, kalite hala çok güvenilirdir ve izleme sisteminde koruma olarak kullanılan PLC, kontrol programının çok fazla olmasına gerek yoktur. Karmaşık olduğundan, başarısızlık oranı nispeten düşüktür.
2 İzleme sistemi kendini koruma tasarımı
2.1 Güç kesintisi kendini koruma
Yaygın elektrik kesintileri arasında sistem elektrik kesintisi, anahtarlama güç kaynağı hasarı vb. Elektrik kesintisi tespitinin temel sorunu, elektrik kesintisinden sonra HMI veya PLC'nin çalışamamasıdır. Arızanın dış dünyaya nasıl doğru bir şekilde gösterileceği, çıktı seviyesi tanımıyla başlamalıdır.
İzleme sistemi çalışma durumu çıkışının donanım prensibi Şekil 2'de gösterilmektedir. PLC çıkış terminali Q0.1 (diğer çıkış terminalleri herhangi bir başka çıkış terminaline değiştirilebilir), izleme sisteminin normal çalışıp çalışmadığını belirtmek ve ilgili alarm ve koruma cihazlarını çalıştırmak için kullanılır.
Bir elektrik kesintisi meydana geldiğinde izleme sisteminin çalışma durumunu normal olarak belirtmek için Q0.1'in çıkış seviyesi şu şekilde tanımlanır: sistem normal çalıştığında çıkış seviyesi yüksektir; sistem arızalandığında çıkış seviyesi düşüktür Seviye.
Sistem normal çalıştığında, HMI kontrollü PLC'nin Q0.1 değeri 1'dir, bu sırada dahili eşdeğer anahtar kapalıdır ve terminal yüksek bir seviye çıkarır. Tüm sistem kapatıldığında veya anahtarlama güç kaynağı hasar gördüğünde, PLC'nin çalışıp çalışmadığına bakılmaksızın, çıkış seviyesi düşük olmalıdır.Bu anda, alarm cihazı ve koruma cihazı etkinleştirilir (alarm ve koruma cihazı, bağımsız bir güç kaynağı veya bir yedek güç kaynağı gerektirir). Elektrik kesintisi göstergesi sorununu çözdü.
2.2HMI hatası kendini koruma
HMI arızaları, HMI donanım hasarı, HMI yazılım anormalliği, PLC ve HMI arasındaki iletişim kesintisi dahil olmak üzere PLC tarafından tespit edilir.
İzleme sistemi normal çalıştığında, HMI düzenli olarak PLC ile iletişim kuracaktır, ancak özel bir işlem olmaksızın PLC, HMI'nin düzgün çalışıp çalışmadığını belirleyemez.PLC tarafından HMI'nin çalışma durumunun tespitini gerçekleştirmek için kalp atışı paket teknolojisi benimsenir.
Bir kalp atışı paketi, bir kalp atışına benzer şekilde, iletişim kuran iki taraf arasındaki belirli bir zaman aralığında kendi durumlarını birbirlerine bildirmek için gönderilen kısa bir iletişim talimatıdır, bu nedenle kalp atışı paketi olarak adlandırılır [16].
HMI, PLC'nin M0.0 değerini (veya başka bir mevcut bit adresini) düzenli aralıklarla çevirir.PLC bu bitin değerinin bir süre değişmeden kaldığını tespit ederse, HMI'nin düzgün çalışmadığı veya PLC ve HMI'nin düzgün çalışmadığı kabul edilir. Aradaki iletişim hattında bir sorun var.
PLC'nin HMI'nin çalışma durumunu tespit etme prosedürü Şekil 3'te gösterilmektedir. M0.0 fazla mesai değişmediğinde, Q0.1 değeri 0'a ayarlanır. Şekil 2 birleştirildiğinde, portun düşük seviyede çıktı verdiğini gösterir.
2.3 İzlenen cihaz (süper kapasitör) iletişim hatası kendini koruma
Ekipman arızalarının izlenmesi, ekipman durumu arızalarını ve iletişim arızalarını, vb. İçerir. İletişim normal olduğu sürece, diğer ekipman arızaları teorik olarak HMI tarafından ağ üzerinden tespit edilebilir ve ele alınabilir, bu nedenle izleme sisteminin kendi kendini koruma sorunu değildir. Bu makale yalnızca, donanım hasarı veya yazılım anormalliği nedeniyle izlenen cihazın iletişim kesintisine ve veri yolu ağ hattının arızalanması nedeniyle HMI ile izlenen cihaz arasındaki iletişim anormal olduğunda kendini korumaya odaklanmaktadır.
HMI'nin ekipmanı izlemesi için yaygın olarak kullanılan iki yol vardır: (1) HMI'nin ekipman durum bilgilerini periyodik olarak sorguladığı HMI aktif modu; (2) Ekipmanın durum bilgilerini düzenli olarak HMI'ye rapor ettiği HMI pasif modu. HMI pasif modunun bir çeşidi de vardır: cihaz normal olduğunda, HMI'ye yalnızca kalp atışı paketleri gönderilir ve cihaz durumu değiştiğinde veya anormal olduğunda, durum bilgilerini veya alarm bilgilerini aktif olarak raporlayacaktır. Hangi yöntem benimsenmiş olursa olsun, HMI ve izlenen ekipmanın düzenli bir etkileşim süreci vardır ve koruma tasarımı buradan başlatılabilir.
HMI'nin durum bilgisini aktif ve periyodik olarak sorgulama şekli ile ilgili olarak, sorgu komutu gönderildikten sonra, izlenen cihaz ayarlanan zaman aşımı süresi içinde yanıt vermezse, bir iletişim zaman aşımı olarak kabul edilebilir. Hataya dayanıklı strateji: Bir iletişim zaman aşımı meydana geldiğinde, HMI sorgu komutunu yeniden göndermeye çalışır ve cihazın yanıt vermesini bekler ve son olarak, belirlenen sayıda yeniden deneme başarısız olduktan sonra cihaz iletişiminin kesildiğini belirler.
İzlenen cihazın düzenli olarak bilgileri rapor etme yolu, HMI'nin hafızada alınacak nesnenin bir iletişim bilgisi kuyruğunu tutması ve cihaz tarafından bildirilen bilgi alındığında, kuyruktaki karşılık gelen nesnenin iletişim bilgilerini güncellemesidir. HMI periyodik olarak kuyruğun iletişim durumunu sorgular.İzlenen bir cihazın son başarılı iletişim süresi mevcut andan itibaren ayarlanan süreyi aşarsa, izlenen cihazın iletişimi kestiği varsayılır. Hataya dayanıklı strateji: Zaman aşımı süresini, gerçek raporlama aralığının katları olarak ayarlayın.
HMI, izlenen cihazın iletişiminin kesintiye uğradığını algıladığında, bir yandan, HMI ekranında gösterge ışıkları ve metin işaretleri şeklinde arızayı gösterecek ve aynı zamanda PLC'nin Q0.1'ini 0'a kontrol edecek ve terminal bu anda düşük seviyede çıkacaktır.
2.4 PLC hatası kendini koruma
PLC arızaları, PLC donanım hasarı, PLC program anormalliği ve HMI ile PLC arasındaki iletişim kesintisi dahil olmak üzere HMI tarafından tespit edilir.
İzleme sistemi normal çalıştığında HMI, PLC ile düzenli olarak iletişim kuracaktır. PLC, donanım hasarı veya iletişim hattı arızası nedeniyle HMI ile iletişim kuramadığında, HMI bunu normal olarak algılayabilir, ancak PLC programının normal çalışıp çalışmadığını algılamak için özel işlem gerekir.
HMI'nin PLC'nin çalışma durumunu tespit etme prensibi: PLC, ana programın sonunda M0.1'in değerini (veya diğer mevcut bit adreslerini) periyodik olarak çevirir; HMI, bu bitin değerini periyodik olarak okur.Okuma başarısız olursa, bunu gösterir. PLC hasarlı veya iletişim hattı arızalı; okuma başarılıysa ancak değer değişmeden kalırsa, PLC'nin çalışma durumuna girmediğini veya programın yürütülmesinde bir sorun olduğunu gösterir.
HMI bir PLC anormalliği algıladığında, arızayı HMI ekranında gösterge ışıkları ve metin kayan yazı şeklinde gösterecek ve yönetim personeline SMS veya e-posta (yalnızca LAN arayüzlü HMI) şeklinde bilgi verecektir.
3 İzleme sisteminin kendini koruma işlevi testi
3.1 Gerçekten geliştirilmiş süper kapasitör izleme sistemine giriş
Geliştirilen süper kapasitör izleme sisteminin gerçek koruma nesnesi, kendi CAN iletişim işlevine sahip olan Maxwell tarafından üretilen BMOD0063 P125 serisi süper kapasitör modülüdür (Ultra Kapasitör Modülü, UCM, daha yaygın olarak Süper Kapasitör Modülü olarak çevrilir). İnsan-makine arayüzü dokunmatik ekranı (HMI), 2485 bağlantı noktası ve 1 CAN bağlantı noktasıyla birlikte gelen Shanghai Hongchang Sukon-070C'yi kullanır. PLC, Siemens S7-200 CPU222 kullanır.
Süper kapasitör izleme sisteminin donanım / ağ topolojisi Şekil 4'te gösterilmektedir (şekilde SM akıllı bir sayaçtır), yazılım işlevi çerçevesi Şekil 5'te gösterilmektedir ve sistem hata ayıklama için ana arayüz Şekil 6'da gösterilmektedir.
Sistemin PLC çıkışı üç koruma terminali içerir. Q0.2, UCM erken uyarı çıkış terminalidir, normal olduğunda düşük seviye, uyarı sırasında yüksek seviyedir; Q0.0, UCM alarm çıkış terminalidir, normal olduğunda düşük seviyedir, alarm verirken yüksek seviyedir; Q0.1, sistemin kendi kendini koruma çıkışıdır Terminal, normal olduğunda yüksek seviye, sistem arızalandığında düşük seviye.
3.2 Kendini koruma işlevi test analizi
Süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma işlevi test sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir.
Tablodaki iletişim hatalarının tümü hataya dayanıklıdır ve iletişim zaman aşımı genellikle 500 ms olarak ayarlanır.
Tablo 1'den, süper kapasitör izleme sisteminin kendi kendini koruma işlevinin tasarım gereksinimlerini karşıladığı ve izleme sisteminin güvenilir çalışmasını etkili bir şekilde koruyabileceği görülebilir.
4. Sonuç
Süper kapasitör izleme sisteminin kendi kendini koruması, sistemin güvenilirliğini güçlendirmek için önemli bir önlemdir, böylece izleme sistemi arızalandığında zamanında alarm verebilir, yönetim personeline bildirimde bulunabilir ve izlenen ekipmanın güvenliğini sağlamak için gerekli koruyucu önlemleri otomatik olarak alabilir.
Bu makale, elektrik kesintisi, HMI arızası, süper kapasitör iletişim arızası ve PLC arızası meydana geldiğinde süper kapasitör izleme sisteminin kendini koruma şemasına odaklanmaktadır. Deneyler, kendini koruma tasarım şemasının uygulanabilir ve etkili olduğunu kanıtladı.
Referanslar
1 Zhang Chunjiang, Dong Jie, Liu Jun, vd. Pil ve süper kapasitör hibrid enerji depolama sisteminin kontrol stratejisi J. Çin Elektroteknik Derneği İşlemleri, 2014, 29 (4): 334-340.
[2] SNCHEZSQUELLA A, ORTEGA R, GRIO R, ve diğerleri Dinamik enerji yönlendiricisi J. Kontrol Sistemleri, IEEE, 2010, 30 (6): 72-80.
3 DE D, KLUMPNER C, PATEL C. Süper kapasitör enerji depolama sistemi için kuplajlı indüktörlü çok aşamalı aralıklı DC-DC dönüştürücünün modellenmesi ve kontrolü J. Power Electronics, 2013, 6 (7): 1360 -1375.
[4] Zhang Enhui, Qi Zhiping, Wei Tongzhen Süper kapasitör modüllerinin voltaj dengesi performansının analizi J High Voltage Technology, 2010, 36 (10): 2548-2554.
[5] BARONTI F, FANTECHI G, RONCELLA R, ve diğerleri. Anahtarlamalı dönüştürücü ve süper kapasitör tabanlı seri bağlı hücreler için yüksek verimli dijital olarak kontrol edilen şarj ekolayzır J In. Endüstriyel Bilişim, 2013, 9 (2): 1139 -1147.
6 Yi Guiping, Hu Renjie. Süper kapasitör enerji depolama sistemine dayalı dinamik voltaj düzeltici üzerine araştırma J. Elektrik Enerjisi Otomasyon Ekipmanı, 2013, 33 (12): 21-26.
7 Gu Shuai, Wei Li, Zhang Yicheng, ve diğerleri.Süper kapasitörlerin yaşlanma özellikleri ve ömür testi üzerine araştırma görünümü J Chinese. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (21): 145-153.
8 Xu Aiguo, Xie Shaojun, Yao Yuan. Süper kapasitör bazlı şehir içi raylı ulaşım aracı rejeneratif frenleme enerjisi soğurma sistemi J. Çin Elektroteknik Derneği İşlemleri, 2010, 25 (3): 117-123.
9 ZHAO Yang, LIANG Haiquan, ZHANG Yicheng. Elektrokimyasal süperkapasitörler üzerinde modelleme araştırmasının mevcut durumu ve beklentileri J. İşlemler, Çin Elektroteknik Derneği, 2012, 27 (3): 188-193.
10 Zhang Li, Jin Yinghua, Wang Kai.Yara Süper Kapasitör Çalışma Sürecinin Termal Analizi J. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (9): 162-166.
11 Hao Meijuan, Wu Lifeng, Guan Yong, ve diğerleri Süper kapasitör kapasitesi için dinamik test sistemi tasarımı J. Bilgisayar Mühendisliği ve Tasarımı, 2013, 34 (12): 4374-4378.
[12] Xu Wenbing Süper Kapasitör Enerji İzleme Sistemi Araştırma ve Tasarımı D Şangay: Shanghai Jiaotong Üniversitesi, 2008.
13 VYATKIN V. Endüstriyel otomasyonda yazılım mühendisliği: son teknoloji incelemesi J. Industrial Informatics, 2013, 9 (3): 1234-1249.
14 Tang Lin, Wang Baoshan, Xiong Yi, ve diğerleri Dijital AC UHV tutucuları için çevrimiçi izleme sistemi J. Yüksek Gerilim Teknolojisi, 2009,35 (11): 2624-2628.
[15] Hong Yaosheng, Fang Ruiming, Peng Changqing ve diğerleri. Yüksek akım deşarj deney sisteminde süper kapasitör izleme ve koruma tasarımı J. Mikrobilgisayarlar ve Uygulamalar, 2014,33 (24): 22-24.
[16] Hu Zhikun, He Duochang, Gui Weihua, ve diğerleri İyileştirilmiş kalp atışı paket mekanizmasına dayanan uzaktan düzeltme izleme sistemi J Bilgisayar Uygulamaları, 2008, 28 (2): 363-366.
