基于PLC和LabVIEW的燃料電池測試系統(tǒng)設(shè)計

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

基于PLC和LabVIEW的燃料電池測試系統(tǒng)設(shè)計

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮*

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

針對開展空冷燃料電池多環(huán)境變量優(yōu)化研究的需要，基于西門子S7-1200系列PLC和監(jiān)控軟件設(shè)計平臺LabVIEW，構(gòu)建了空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為底層控制單元，LabVIEW監(jiān)控程序為主監(jiān)控單元，通過Modbus TCP/IP和Modbus串口協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信與控制交互，底層控制單元將傳感器采集的各項燃料電池運行特征參數(shù)上傳、分析并記錄。在此基礎(chǔ)上，充分考慮空冷型PEMFC對時序和控制操作的敏感性要求，實現(xiàn)對燃料電池啟停時序控制、陽極排氣控制和溫度控制等。此外，系統(tǒng)能夠根據(jù)實際運行狀態(tài)在線調(diào)整運行參數(shù)并且圖形化的人機(jī)交互界面可實時顯示并記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括故障和報警信息等。經(jīng)實驗驗證，該測試系統(tǒng)運行可靠，監(jiān)控性能良好，實用性強(qiáng)，能夠用于空冷自增濕型PEMFC的實驗研究。

空冷自增濕；PEMFC；PLC；LabVIEW；測試系統(tǒng)

近年來，以空冷技術(shù)與自增濕技術(shù)相結(jié)合為特征的空冷自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其清潔、環(huán)保、高效等特點受到了廣泛的關(guān)注。該種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極采用與空氣貫通的開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需加濕水和冷卻水的復(fù)雜管理，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低以及便于實現(xiàn)模塊化設(shè)計等突出優(yōu)點，因此在UPS電源、動力電源以及無人載具等中小功率應(yīng)用場合中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

目前，PEMFC測試系統(tǒng)多針對功率等級較高的水冷型燃料電池[2-5]，由于水冷型PEMFC內(nèi)部陰極流道和冷卻水流道相互獨立，且參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣和氧氣需要進(jìn)行預(yù)加濕處理，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點與空冷自增濕型PEMFC迥然不同，所以針對兩者的測控系統(tǒng)也需要獨立設(shè)計。目前，針對空冷型PEMFC的測試系統(tǒng)見諸文獻(xiàn)較少，胡林會等人設(shè)計了一個簡易空冷型PEMFC測試系統(tǒng)[6]，但該系統(tǒng)只能根據(jù)負(fù)載功率調(diào)節(jié)H2流量和壓力，在線調(diào)節(jié)參數(shù)少，并且沒有考慮PEMFC啟停過程時序，對PEMFC的壽命和安全性未予以足夠重視，同時存在人機(jī)交互界面過于簡單、實時性和可靠性不足的問題。

本文針對上述存在的問題和不足，基于西門子S7-1200系列PLC和LabVIEW監(jiān)控軟件平臺，設(shè)計了適用于空冷自增濕型PEMFC的測試系統(tǒng)，結(jié)合電堆設(shè)計手冊，充分考慮了空冷型PEMFC對時序和控制操作的敏感性要求，較好地實現(xiàn)了燃料電池的啟停時序控制、陽極排氣控制、溫度控制和氫氣壓力控制，可同時在線調(diào)整陽極排氣周期、電堆溫度和負(fù)載電流，并具有良好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)記錄機(jī)制，便于實時監(jiān)控和實驗結(jié)果分析。

1 空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)介紹

1.1 PEMFC的工作原理[5]

PEMFC是在電催化劑作用下實現(xiàn)氫氧電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電裝置，它通過質(zhì)子交換膜實現(xiàn)質(zhì)子傳遞發(fā)電，H2在陽極分解為H+和e－，O2在陰極得到e－，并與經(jīng)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極的H+結(jié)合生成水。涉及的主要電極反應(yīng)如下：

1.2 空冷自增濕型PEMFC系統(tǒng)

典型的空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)分為3部分：PEMFC電堆；為PEMFC提供氧化劑和散熱能力的風(fēng)扇；H2供給子系統(tǒng)。相比水冷型PEMFC系統(tǒng)，空冷型燃料電池系統(tǒng)省略了冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)和加濕水循環(huán)子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)少，因而容易實現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊耦合，便于系統(tǒng)集成。

圖1 空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)

2 測試系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)空冷型PEMFC的測控需要，本PEMFC測試系統(tǒng)的硬件部分由PLC底層控制單元、信號采集和處理單元、Lab-VIEW監(jiān)控單元、輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元和電子負(fù)載單元等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各部分的主要功能為：

圖2 空冷自增濕型PEMFC測試系統(tǒng)

(1)PLC底層控制單元。S7-1200系列PLC是西門子公司近兩年推出的適用于簡單離散自動化系統(tǒng)和獨立自動化系統(tǒng)的小型控制器模塊。其CPU處理速度可達(dá)0.1 μs/基本指令，提供高達(dá)50 kB的共用工作內(nèi)存、2 MB的集成裝載內(nèi)存和2 kB的掉電保持內(nèi)存，支持最大284點的數(shù)字量I/O和51點模擬量I/O，同時帶有3個100 kHz高速計數(shù)器和2個100 kHz高速脈沖輸出，集成PROFINET以太網(wǎng)接口，支持多種工業(yè)通信協(xié)議，并自帶閉環(huán)回路控制的PID功能，最多支持16個PID控制回路。根據(jù)系統(tǒng)I/O點需求和監(jiān)控性能需求，選擇西門子S7-1214DC/DC/DC型作為系統(tǒng)底層控制單元的MCU。

(2)信號采集和處理單元。根據(jù)影響PEMFC性能的特征參數(shù)和實驗需求，測試系統(tǒng)需要監(jiān)測的物理量包括PEMFC工作溫度、陽極入口壓力、輸出電壓和電流、PEMFC工作環(huán)境的溫濕度等。傳感器將采集的物理量信號轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號輸出。本文使用西門子SM1231模擬量輸入模塊，將傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送至PLC控制器。SM1231模擬量輸入模塊是集成單一12位的A/D轉(zhuǎn)換器和8選1的模擬通道選擇器，轉(zhuǎn)換時間為625 μs，精度為±0.01%FSR(FSR：滿量程)，能夠滿足系統(tǒng)監(jiān)控對數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換精度的要求。

(3)LabVIEW監(jiān)控單元?；贚abVIEW軟件平臺開發(fā)了人機(jī)界面主控單元，實現(xiàn)了PEMFC運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、記錄以及運行參數(shù)的在線調(diào)整。LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，通過編程可以借助內(nèi)置的SVE引擎實現(xiàn)本系統(tǒng)所需的Modbus通信機(jī)制，分別通過Ethernet和RS-232接口實現(xiàn)同PLC、電子負(fù)載和無紙記錄儀等數(shù)控單元的數(shù)據(jù)交互。

(4)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元。輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元包括風(fēng)扇、負(fù)載開關(guān)、H2進(jìn)氣電磁閥、H2排氣電磁閥和N2進(jìn)氣電磁閥。由于S7-1214的I/O電平為24 V，直接帶載能力最大只有500 mA，不足以直接驅(qū)動電磁閥和負(fù)載開關(guān)，因此需要中間繼電器驅(qū)動各類電磁閥和開關(guān)設(shè)備。另外，系統(tǒng)采用S7-1214內(nèi)置的PWM功能實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無極調(diào)速。

(5)電子負(fù)載單元。本系統(tǒng)使用艾德克斯IT8830B電子負(fù)載作為燃料電池的負(fù)載。IT8830B型電子負(fù)載額定輸入電壓0～500 V，輸入電流0～200 A，輸入功率0～10 kW，電壓電流分辨率高達(dá)1 mV/1 mA，可提供CC、CV、CW、CR和CZ五種工作模式，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)RS232、GPIB和USB接口，可完全滿足燃料電池測試系統(tǒng)對負(fù)載動態(tài)變化的需求。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC軟件控制流程

PLC是整個底層控制單元的控制核心，通過與上位機(jī)LabVIEW監(jiān)控程序的實時數(shù)據(jù)交互完成整個實驗流程控制。PLC上電啟動后，直接進(jìn)入初始化模式，復(fù)位所有標(biāo)志位、控制位、警告位和報警位，復(fù)位完成，初始化結(jié)束，進(jìn)入空閑態(tài)(Standby)。執(zhí)行空閑態(tài)的作用是保證各輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉，并檢測燃料電池的各項參數(shù)是否正常，判斷環(huán)境條件是否適合開機(jī)，如果條件異常，則置位相應(yīng)警告或報警位，通知上位機(jī)程序禁止開機(jī)。初始化和空閑態(tài)的流程圖如圖3(a)和(b)所示。

若系統(tǒng)各項參數(shù)正常且環(huán)境條件滿足PEMFC工作條件，PLC等待上位機(jī)下發(fā)開機(jī)指令。接收到開機(jī)指令后，燃料電池進(jìn)入啟動流程。由于空冷自增濕PEMFC的陰極敞開式結(jié)構(gòu)，在電堆停止工作后約半個小時，空氣就會透過質(zhì)子交換膜充滿陽極流道，為了減小啟動時陽極混合H2和空氣引起的碳腐蝕電流，降低對燃料電池的損害，電堆啟動時需進(jìn)行一次初始排氣，并有較為嚴(yán)格的時序要求。具體啟動流程見圖4。

圖3 系統(tǒng)初始化和空閑態(tài)流程圖

圖4 系統(tǒng)啟動流程圖

啟動完成后，進(jìn)入運行階段。電堆運行過程中，可在線設(shè)定負(fù)載電流、電堆工作溫度和陽極排氣周期等關(guān)鍵參數(shù)。電堆運行一段時間后，陰極內(nèi)產(chǎn)生的水能通過質(zhì)子交換膜滲透到陽極，造成陽極電極水淹，此時需打開H2排氣閥，利用氣流將陽極聚集的水吹出電堆，是為陽極排氣周期。溫度控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不斷檢測PEMFC工作溫度，并和設(shè)定溫度比較，軟件設(shè)計中基于PID控制方法，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，維持電堆工作在溫度設(shè)定點。

系統(tǒng)運行過程中，輔助監(jiān)控程序一直工作，實時監(jiān)測電池電壓、電流、溫度、氫氣壓力、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度是否正常，并將系統(tǒng)異常情況分為警告和報警兩級：(1)如果系統(tǒng)參數(shù)超出設(shè)定的警告值，則延時停機(jī)，延時時間內(nèi)系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)正常，則控制器不做任何響應(yīng)，并復(fù)位延時，系統(tǒng)繼續(xù)正常運行；如果超過延時時間系統(tǒng)參數(shù)沒有恢復(fù)正常，則執(zhí)行停機(jī)程序。(2)如果系統(tǒng)參數(shù)超出設(shè)定報警值，證明系統(tǒng)存在嚴(yán)重故障，系統(tǒng)需立即執(zhí)行停機(jī)程序，保護(hù)PEMFC電堆不受損壞。系統(tǒng)運行階段的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行狀態(tài)流程圖

當(dāng)所有實驗完成，運行過程結(jié)束，上位機(jī)下發(fā)停機(jī)指令，PLC執(zhí)行停機(jī)流程，關(guān)閉所有輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，停機(jī)后自動執(zhí)行N2吹掃程序，以減小殘余氫氣反應(yīng)生成的腐蝕電流的影響，停機(jī)和N2吹掃流程圖如圖6(a)和(b)所示。

圖6 系統(tǒng)停機(jī)和N2吹掃流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)上位機(jī)主控單元應(yīng)用LabVIEW DSC模塊的I/O Server和PLC標(biāo)準(zhǔn)Modbus TCP/IP通訊協(xié)議，以共享變量的形式實現(xiàn)上位機(jī)和PLC的通信，完成數(shù)據(jù)交互[7-9]。主控單元軟件層實現(xiàn)的主要功能是數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、運行參數(shù)設(shè)置、報警信息顯示以及各輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)顯示。如圖7(a)所示，系統(tǒng)人機(jī)界面主界面顯示內(nèi)容包括：系統(tǒng)參數(shù)：PEMFC運行溫度、入口氫氣壓力，輸出電壓、電流和功率，環(huán)境溫度和濕度，風(fēng)扇的占空比；PEMFC工作溫度范圍：最大、最小以及最佳工作溫度值；系統(tǒng)診斷信息：顯示系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)和系統(tǒng)報警信息(藍(lán)色標(biāo)記為警告信息、紅色標(biāo)記為報警信息)；操作鍵：啟動、停止、關(guān)機(jī)和程序退出鍵。如果想觀察系統(tǒng)各參數(shù)變化趨勢，可直接在Trend Viewer子界面中觀察。此外，Trend Viewer子界面中還記錄并顯示了系統(tǒng)運行時間、PEMFC當(dāng)前運行時間和PEMFC自第一次啟動開始的總運行時間，可為以后燃料電池耐久性實驗分析提供依據(jù)，具體界面見圖7(b)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置在Maintenance子界面中實現(xiàn)，可完成溫度控制的PID參數(shù)整定、PEMFC溫度設(shè)定、負(fù)載電流設(shè)定和陽極排氣周期設(shè)定，具體界面如圖7(c)。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 實驗驗證

本文利用BALLARD公司的一款1 kW空冷型燃料電池進(jìn)行實驗，驗證所設(shè)計測試系統(tǒng)的性能。

為保證充足的空氣供給量，風(fēng)扇最小占空比限定為8.5%。實驗中環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境濕度為45%～50%，設(shè)置入口氫氣壓力為0.036 MPa，PEMFC陽極排氣間隔為t=2 300/電流值(s)，每次排氣0.5 s。電堆輸出電流從15 A開始，以5 A的幅度遞增，一直到45 A。溫度控制中不同電流下PEMFC工作溫度設(shè)定點參考BALLARD提供的數(shù)據(jù)手冊中的建議值。實驗得到的該電池堆輸出電壓、電流曲線如圖8所示，溫度控制響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖8 電堆輸出電壓、電流曲線

圖9 電堆溫度控制響應(yīng)曲線

從圖8可以看出，對應(yīng)不同負(fù)載電流，燃料電池輸出電壓、電流穩(wěn)定，證明測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)各參數(shù)控制良好。從圖9可知，考慮到電堆自身溫度響應(yīng)的延遲效應(yīng)，測試系統(tǒng)控制溫度響應(yīng)較快，在1～2 min內(nèi)即可收斂至目標(biāo)溫度，穩(wěn)態(tài)誤差±0.5℃，設(shè)計的PID控制參數(shù)能夠滿足設(shè)計要求。15和20 A時候，電堆溫度沒有達(dá)到溫度設(shè)定點，這是因為低電流時，電堆發(fā)熱量較少，風(fēng)扇最小占空比設(shè)置過大而造成電堆過量散熱，將風(fēng)扇最小占空比減小至8.0%，這一現(xiàn)象消失，因而在實際電堆集成控制系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮實際的最小負(fù)荷需求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池的測試系統(tǒng)，可以根據(jù)需求編程設(shè)定燃料電池入口氫氣壓力、陽極排氣周期和運行溫度目標(biāo)值等關(guān)鍵參數(shù)，并且良好的人機(jī)界面可實時顯示并記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，方便實時監(jiān)控和系統(tǒng)控制策略制定。最終的實驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制效果理想，設(shè)計的PID控制策略能夠較好的跟蹤上述參數(shù)的變化，為空冷型PEMFC的機(jī)理研究和控制策略的設(shè)計開發(fā)提供了平臺基礎(chǔ)。

致謝：感謝國家自然科學(xué)基金(51177138，21106079)、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20100184110015)、鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2012J012-D)、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20120184120011)、四川省國際科技合作與交流研究計劃 (2012HH0007)、高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目(SWJTU12CX029)等科技項目給予的資金支持。

[1]王誠.燃料電池技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012 (2):37-43.

[2]李娜，田作華.基于AVR單片機(jī)的燃料電池控制系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2011(8):63-66.

[3]任夢，田作華.基于Mega 64的燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2012(7):38-41.

[4]楊勇，張洪飛，羅馬吉.基于PLC的燃料電池控制系統(tǒng)研究[J].公路與汽運，2011(3):1-4.

[5]陳桂蘭，溫旭輝，孫曉.質(zhì)子交換膜燃料電池控制系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2004(4):195-198.

[6]胡林會，朱新堅，莫志軍.PLC的PEMFC燃料電池控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣傳動，2005(1):46-48.

[7]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8]朱記全，沈昱明.基于LabVIEW DSC溫控器的Modbus通信實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2012(11)：39-40.

[9]萬鵬，趙世平，徐弘軒.基于Modbus協(xié)議的PLC與LabVIEW的通訊實現(xiàn)[J].中國測試技術(shù)，2008(3)：62-64.

Design of fuel cell test system based on PLC and LabVIEW

For the research requirement of air-cooled and self-humidifying proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)in different environments,a fuel cell test system based on Siemens S7-1200 series PLC and monitoring software platform LabVIEW was designed and reported.The PLC and LabVIEW were used as underlying control unit and main monitoring unit, respectively.The data communication between control equipments was realized by Modbus TCP/IP and Modbus Serial protocol.The operating parameters of the fuel cell collected by the sensors were uploaded,analyzed and recorded through the underlying control unit.On this basis,by fully considering the sensitivity requirements of timing and control for air-cooled PEMFC,timing control of start and shutdown,the anode exhaust gas control and temperature control were achieved.In addition,the system could adjust online operating parameters according to the actual operating status and graphical interactive interface could display and record the system status (including fault and alarm information etc.)in real time.The experiment demonstrates that the system had reliable operation, excellent control effect and high practicability and could be applied to the experimental research of air-cooled self-humidifying PEMFC.

air-cooled self-humidifying;PEMFC;PLC;LabVIEW;test system

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0575-05

2015-08-23

彭赟(1989—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向為燃料電池技術(shù)研究與應(yīng)用。