基于PLC和LabVIEW的燃料電池測試系統設計

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

基于PLC和LabVIEW的燃料電池測試系統設計

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮*

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

針對開展空冷燃料電池多環境變量優化研究的需要，基于西門子S7-1200系列PLC和監控軟件設計平臺LabVIEW，構建了空冷自增濕質子交換膜燃料電池(PEMFC)測試系統。該系統以PLC為底層控制單元，LabVIEW監控程序為主監控單元，通過Modbus TCP/IP和Modbus串口協議實現設備間數據通信與控制交互，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上傳、分析并記錄。在此基礎上，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，系統能夠根據實際運行狀態在線調整運行參數并且圖形化的人機交互界面可實時顯示并記錄系統運行狀態，包括故障和報警信息等。經實驗驗證，該測試系統運行可靠，監控性能良好，實用性強，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

近年來，以空冷技術與自增濕技術相結合為特征的空冷自增濕式質子交換膜燃料電池(PEMFC)以其清潔、環保、高效等特點受到了廣泛的關注。該種質子交換膜燃料電池陰極采用與空氣貫通的開放式結構設計，無需加濕水和冷卻水的復雜管理，具有系統結構簡單、體積小、成本低以及便于實現模塊化設計等突出優點，因此在UPS電源、動力電源以及無人載具等中小功率應用場合中具有廣闊的應用前景[1]。

目前，PEMFC測試系統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內部陰極流道和冷卻水流道相互獨立，且參與電化學反應的氫氣和氧氣需要進行預加濕處理，其內部結構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也需要獨立設計。目前，針對空冷型PEMFC的測試系統見諸文獻較少，胡林會等人設計了一個簡易空冷型PEMFC測試系統[6]，但該系統只能根據負載功率調節H2流量和壓力，在線調節參數少，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監控軟件平臺，設計了適用于空冷自增濕型PEMFC的測試系統，結合電堆設計手冊，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，可同時在線調整陽極排氣周期、電堆溫度和負載電流，并具有良好的人機交互界面和數據記錄機制，便于實時監控和實驗結果分析。

1 空冷自增濕PEMFC系統介紹

1.1 PEMFC的工作原理[5]

PEMFC是在電催化劑作用下實現氫氧電化學反應的發電裝置，它通過質子交換膜實現質子傳遞發電，H2在陽極分解為H+和e－，O2在陰極得到e－，并與經質子交換膜傳遞到陰極的H+結合生成水。涉及的主要電極反應如下：

1.2 空冷自增濕型PEMFC系統

典型的空冷自增濕PEMFC系統如圖1所示，系統分為3部分：PEMFC電堆；為PEMFC提供氧化劑和散熱能力的風扇；H2供給子系統。相比水冷型PEMFC系統，空冷型燃料電池系統省略了冷卻水循環子系統和加濕水循環子系統，結構簡單，控制參數少，因而容易實現系統的緊湊耦合，便于系統集成。

圖1 空冷自增濕PEMFC系統

2 測試系統的硬件組成

根據空冷型PEMFC的測控需要，本PEMFC測試系統的硬件部分由PLC底層控制單元、信號采集和處理單元、Lab-VIEW監控單元、輸出執行機構單元和電子負載單元等組成，其系統結構如圖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

(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和獨立自動化系統的小型控制器模塊。其CPU處理速度可達0.1 μs/基本指令，提供高達50 kB的共用工作內存、2 MB的集成裝載內存和2 kB的掉電保持內存，支持最大284點的數字量I/O和51點模擬量I/O，同時帶有3個100 kHz高速計數器和2個100 kHz高速脈沖輸出，集成PROFINET以太網接口，支持多種工業通信協議，并自帶閉環回路控制的PID功能，最多支持16個PID控制回路。根據系統I/O點需求和監控性能需求，選擇西門子S7-1214DC/DC/DC型作為系統底層控制單元的MCU。

(2)信號采集和處理單元。根據影響PEMFC性能的特征參數和實驗需求，測試系統需要監測的物理量包括PEMFC工作溫度、陽極入口壓力、輸出電壓和電流、PEMFC工作環境的溫濕度等。傳感器將采集的物理量信號轉換為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，將傳感器輸出的標準電壓信號轉換為數字信號，通過內部數據總線傳送至PLC控制器。SM1231模擬量輸入模塊是集成單一12位的A/D轉換器和8選1的模擬通道選擇器，轉換時間為625 μs，精度為±0.01%FSR(FSR：滿量程)，能夠滿足系統監控對數據采集和轉換精度的要求。

(3)LabVIEW監控單元。基于LabVIEW軟件平臺開發了人機界面主控單元，實現了PEMFC運行狀態的實時監控、記錄以及運行參數的在線調整。LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件，通過編程可以借助內置的SVE引擎實現本系統所需的Modbus通信機制，分別通過Ethernet和RS-232接口實現同PLC、電子負載和無紙記錄儀等數控單元的數據交互。

(4)輸出執行機構單元。輸出執行機構單元包括風扇、負載開關、H2進氣電磁閥、H2排氣電磁閥和N2進氣電磁閥。由于S7-1214的I/O電平為24 V，直接帶載能力最大只有500 mA，不足以直接驅動電磁閥和負載開關，因此需要中間繼電器驅動各類電磁閥和開關設備。另外，系統采用S7-1214內置的PWM功能實現風扇轉速的無極調速。

(5)電子負載單元。本系統使用艾德克斯IT8830B電子負載作為燃料電池的負載。IT8830B型電子負載額定輸入電壓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1 mV/1 mA，可提供CC、CV、CW、CR和CZ五種工作模式，內置標準RS232、GPIB和USB接口，可完全滿足燃料電池測試系統對負載動態變化的需求。

3 測試系統軟件設計

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LabVIEW監控程序的實時數據交互完成整個實驗流程控制。PLC上電啟動后，直接進入初始化模式，復位所有標志位、控制位、警告位和報警位，復位完成，初始化結束，進入空閑態(Standby)。執行空閑態的作用是保證各輸出執行機構關閉，并檢測燃料電池的各項參數是否正常，判斷環境條件是否適合開機，如果條件異常，則置位相應警告或報警位，通知上位機程序禁止開機。初始化和空閑態的流程圖如圖3(a)和(b)所示。

若系統各項參數正常且環境條件滿足PEMFC工作條件，PLC等待上位機下發開機指令。接收到開機指令后，燃料電池進入啟動流程。由于空冷自增濕PEMFC的陰極敞開式結構，在電堆停止工作后約半個小時，空氣就會透過質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，電堆啟動時需進行一次初始排氣，并有較為嚴格的時序要求。具體啟動流程見圖4。

圖3 系統初始化和空閑態流程圖

圖4 系統啟動流程圖

啟動完成后，進入運行階段。電堆運行過程中，可在線設定負載電流、電堆工作溫度和陽極排氣周期等關鍵參數。電堆運行一段時間后，陰極內產生的水能通過質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。溫度控制環節，系統不斷檢測PEMFC工作溫度，并和設定溫度比較，軟件設計中基于PID控制方法，調節風扇轉速，維持電堆工作在溫度設定點。

系統運行過程中，輔助監控程序一直工作，實時監測電池電壓、電流、溫度、氫氣壓力、環境溫度和環境濕度是否正常，并將系統異常情況分為警告和報警兩級：(1)如果系統參數超出設定的警告值，則延時停機，延時時間內系統參數恢復正常，則控制器不做任何響應，并復位延時，系統繼續正常運行；如果超過延時時間系統參數沒有恢復正常，則執行停機程序。(2)如果系統參數超出設定報警值，證明系統存在嚴重故障，系統需立即執行停機程序，保護PEMFC電堆不受損壞。系統運行階段的流程圖如圖5所示。

圖5 系統運行狀態流程圖

當所有實驗完成，運行過程結束，上位機下發停機指令，PLC執行停機流程，關閉所有輸出執行機構，停機后自動執行N2吹掃程序，以減小殘余氫氣反應生成的腐蝕電流的影響，停機和N2吹掃流程圖如圖6(a)和(b)所示。

圖6 系統停機和N2吹掃流程圖

3.2 上位機軟件設計

本測試系統上位機主控單元應用LabVIEW DSC模塊的I/O Server和PLC標準Modbus TCP/IP通訊協議，以共享變量的形式實現上位機和PLC的通信，完成數據交互[7-9]。主控單元軟件層實現的主要功能是數據顯示、數據存儲、運行參數設置、報警信息顯示以及各輸出執行機構狀態顯示。如圖7(a)所示，系統人機界面主界面顯示內容包括：系統參數：PEMFC運行溫度、入口氫氣壓力，輸出電壓、電流和功率，環境溫度和濕度，風扇的占空比；PEMFC工作溫度范圍：最大、最小以及最佳工作溫度值；系統診斷信息：顯示系統當前運行狀態和系統報警信息(藍色標記為警告信息、紅色標記為報警信息)；操作鍵：啟動、停止、關機和程序退出鍵。如果想觀察系統各參數變化趨勢，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運行時間、PEMFC當前運行時間和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，具體界面見圖7(b)。系統參數設置在Maintenance子界面中實現，可完成溫度控制的PID參數整定、PEMFC溫度設定、負載電流設定和陽極排氣周期設定，具體界面如圖7(c)。

圖7 系統監控界面

4 實驗驗證

本文利用BALLARD公司的一款1 kW空冷型燃料電池進行實驗，驗證所設計測試系統的性能。

為保證充足的空氣供給量，風扇最小占空比限定為8.5%。實驗中環境溫度為25℃，環境濕度為45%～50%，設置入口氫氣壓力為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工作溫度設定點參考BALLARD提供的數據手冊中的建議值。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 電堆溫度控制響應曲線

從圖8可以看出，對應不同負載電流，燃料電池輸出電壓、電流穩定，證明測試系統運行穩定，系統各參數控制良好。從圖9可知，考慮到電堆自身溫度響應的延遲效應，測試系統控制溫度響應較快，在1～2 min內即可收斂至目標溫度，穩態誤差±0.5℃，設計的PID控制參數能夠滿足設計要求。15和20 A時候，電堆溫度沒有達到溫度設定點，這是因為低電流時，電堆發熱量較少，風扇最小占空比設置過大而造成電堆過量散熱，將風扇最小占空比減小至8.0%，這一現象消失，因而在實際電堆集成控制系統設計時需要考慮實際的最小負荷需求。

5 總結

本文設計并實現了一種空冷自增濕質子交換膜燃料電池的測試系統，可以根據需求編程設定燃料電池入口氫氣壓力、陽極排氣周期和運行溫度目標值等關鍵參數，并且良好的人機界面可實時顯示并記錄系統運行狀態參數，方便實時監控和系統控制策略制定。最終的實驗結果表明，該測試系統運行穩定，控制效果理想，設計的PID控制策略能夠較好的跟蹤上述參數的變化，為空冷型PEMFC的機理研究和控制策略的設計開發提供了平臺基礎。

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

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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研究與應用。