基于西门子PLC的大容量镍镉蓄电池组智能维护系统研制

　　摘 要：利用西门子公司小型PLC为控制中心，5.7英寸触摸屏为操作显示平台，加上晶闸管的整流和有源逆变技术组成了大容量镉镍电池组的智能维护系统即电池活化装置。它的出现克服了镉镍电池长期使用造成的“记忆”效应，大大提高了蓄电池的使用寿命。

　　大容量镉镍电池以其放电电流大，使用寿命长等优点长期以来在*、铁路、电力、石油等领域占有举足轻重的地位。但是镉镍电池明显的缺点就是存在“记忆”效应，它的存在大大的降低了电池的利用效率、严重时电池组不能放电。例如：铁路客车上大量使用的由GN300Ah镉镍电池组成的电池组，在段修中须同时对其进行检修维护，主要就是对其进行容量恢复。为满足该项工作的工艺要求，在路局科委的支持下，通过与专业厂家合作，开发研制了利用西门子S7200可编程序控制器为控制中心，加上可控硅充放电技术的电池智能维护系统。此系统具有对镉镍电池进行充电、放电和自动维护（如：自动三充两放）等功能，充放电电流最高可达300A，电压最高可达500V。加上大屏幕触摸屏操作界面，具有各种参数设定方便，记录自动存储，数据自动打印，充放电自动转换等优点，较大地提高了工作效率，减轻了充电工人的劳动强度，提高了设备质量和工作性能。下面，将该系统简述如下：

　　1 系统的硬件组成：

　　整个系统由两大部分组成，即以西门子S7200可编程序控制器为核心的自动控制和管理中心和以可控硅整流电路为中心的主电路。系统原理图如下：

　　图1：系统框图

　　1.1 控制和管理中心：

　　以西门子S7200小型PLC CPU-224为中心，其自身带14点输入、10点输出开关量，12K的程序存储器，8K的数据存储器;外围扩展EM235作为模拟量输入输出模块，此模块具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，A/D和D/A转换精度为双极性12位精度;系统电压、电流经电压、电流变送器转换成0-5V的标准信号供PLC采集、运算和显示。人机操作界面由步进科技的eview5.7英寸触摸人机界面来完成。MT4300L与CPU224通过RS485通信交换数据。操作员可通过其设定此设备的充放电电流值、充放电结束电压值、充放电时间、电池组搁置时间、记录间隔时间等工作参数;根据实际需要选择充电、放电、放充和充放充等工作模式;并可自动记录100次历史记录供保存和查阅，报表自动打印输出。

　　CPU224接收外围给它的开关量信号和EM235提供的模拟量数字信号，自动进行设备的工作过程和工作状态的判断，如检测到外围交流发生故障时，CPU接到命令立即停止所有工作并发出声光报警信号，提示工作人员进行检修;CPU通过模拟PI调节程序经EM235输出0-10V模拟信号来控制BSC6F-1数字型晶闸管触发板的触发脉冲，从而控制晶闸管导通角a的导通程度控制设备的输出电流、输出电压等，实现了设备的数字化和智能化。

　　1.2 充电逆变主电路:

　　主要由隔离变压器，三相全桥组合可控硅和全数字可控硅触发板组成。隔离变压器采用Y/D-11接法，可控硅触发板采用BSC6F-1型数字触发器，六路脉冲对称度不需要调整且具有相序自检测电路，当发生错相、断相等故障时其自动封锁触发脉冲，并发出信号报警。触发板本身具有过压，过流等保护和软启动功能。整流运行时晶闸管导通角α角工作在0-1500之间;逆变运行时β角工作在30-900之间，从而有效的防止逆变失败。

　　1.3 触摸屏操作界面:

　　MT4300L型触摸屏为深圳步科电气推出5.7英寸256色度彩色人机界面，它可与多家PLC进行连接通信。此系统通过RS485信号经PPI协议与西门子S7PLC进行数据交换和控制，触摸屏的使用彻底结束以往控制系统中繁多按钮、指示灯的应用，加上汉字显示信息显示更加清楚直观。如图2：

　　图2：显示界面

　　2 工作过程及特点:

　　电池的活化即容量恢复共有三个阶段组成。第一阶段为电池的深度放电，通过可控硅有源逆变技术将电池组的直流电逆变回馈电网，也就是电池组的恒流放电过程，通过人机界面MT4300L显示电池组电压、放电电流和放电时间等。放电电流一般为0.2C5（C5 为电池组的容量），电池组放电终止电压为1×Nv（N为电池组的只数）。电池的放电过程其实是一个化学反应过程，当单只电池电压放电至1V时，相当于电池的深度放电，因此放电结束不能马上对电池组进行充电，否则影响电池组的使用寿命。第二阶段为电池组的搁置过程，CPU224自动记录电池组的搁置时间，当搁置时间达到设定时间（一般搁置时间应设置2小时），自动进入第三个阶段，即电池组均充。电池组的均充电流为0.2C5A，整个均充分两个过程，即恒流充电阶段和恒压限流阶段，整个过程全部由控制中心来协调完成。一般电池组充电结束条件为8小时充电或单只电池电压爬升到1.65V。从开始放电到充电结束整个活化过程全部由PLC控制中心来完成，无须人员操作。为了使设备具有良好的适用性，利用西门子S7200PLC控制灵活等特点，设备设置了4种工作模式即充电、放电、放充和充放充模式;且充放充模式可以设置循环次数，如循环次数设置两次，设备能自动的实现对电池组的“三充两放”。

　　图3：主程序流程

　　3 软件设计思想

　　西门子S7200PLC可采用梯形图语言编程、语句表和功能图三种编程语言。本系统 采用最贴近工程设计和易懂的编程语言梯形图;编程软件采用STEP7-MICRO/WIN V32。整个程序采用模块化结构设计，分主程序、初始化子程序、充电子程序、放电子程序、历史数据存取子程序、AD采样子程序和DA输出控制等七个子程序。触摸屏人机界面MT4300L和CPU224之间由RS485通信（PPI通信协议）通过变量数据存储器 VW来进行数据间的交换和控制。上述四项功能程序中分别容进了电压、电流模拟量采集、运算、显示和控制程序。

　　梯形图的编写主要运用了定时器、数学逻辑运算等指令。因活化装置要有恒定的电流输出，所以CPU224通过EM235模拟量输出给可控硅触发板BSC6F-1电流给定值需要模拟PI运算;即采集的实际电流数字值（反馈值）与操作员通过人机界面设定的给定电流值进行比较，CPU经相应数学运算，通过EM235模拟输出0-10V的直流电压信号，此信号传给晶闸管触发电路实现数字调压，从而保证系统恒流充电和恒流放电。梯形图程序如下：

　　图4：充电电流调整梯形图程序

　　梯形图程序中VW302为电压显示值寄存器，VW68为电压设定值寄存器;VW300为电流显示值寄存器，VW66为充电电流设定值寄存器;VW632为模数转换数字量暂存器。Q0.3闭合表示充电，当电池组电压值VW302小于设定值VW68且电流值VW300小于设定充电电流值VW66，模拟量输出值VW632不断增大到充电电流等于设定电流值为止（VW632最大值为31999）;反之，VW632值不断递减。当充电电压高于设定的电压值时，模拟量输出值不断递减，保证充输出电电压不高于设定的电压值。

　　4 结束语

　　该系统于2007年研制投入试用，经过1年多的现场考核，完全满足现场要求，并开始在路内外推广使用，获得使用单位的一致好评。

参考文献:

[1]. PLC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. RS485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.