超級電容監控系統的自保護設計*

彭長青，尚榮艷

(華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

超級電容監控系統的自保護設計*

彭長青，尚榮艷

(華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

大電流放電實驗系統中，超級電容監控系統存在硬件損壞、軟件崩潰、通信失聯等問題。為此，提出了解決電源故障、HMI故障、超級電容通信故障、PLC故障的自保護方案，解決了監控系統自身失效的檢測和保護問題。最后，對實際開發的超級電容監控系統自保護功能進行了測試，結果表明，該自保護設計方案確實是可行和有效的。

超級電容；人機界面；監控系統；自保護

0 引言

超級電容是一種新型的電能存儲裝置，具有功率密度大、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優點。它可以在極短的時間內吸收或釋放相當大的功率，為其他設備提供緩沖，己經應用于電動車輛、風力發電、航空和激光武器等很多領域的儲能系統[1- 6]。

然而，超級電容單體額定電壓低，需要大量單體串并聯組合工作，使用條件、環境溫度、充電電流、偏置電壓、單體參數等諸多因素均將影響超級電容的性能，惡劣的工作環境將會導致其壽命大大降低[7-10]。超級電容監控系統的作用是實時監視超級電容運行狀況，并進行相應控制反饋；當預測到存在故障隱患時及時報警通知管理人員進行維護和處置，防患于未然；當發生破壞性故障時，能夠快速響應自動實施保護動作，防止故障損失擴大。監控系統有利于最大限度地利用超級電容存儲能力，提高其循環壽命[11-12]。

核心部件為超級電容的某大電流放電實驗系統，可以提供短時大電流，主要用于測試繼電器及接觸器等在大電流開合時的性能及壽命參數。在此實驗系統中，基于人機界面觸摸屏(Human Machine Interaction，HMI)的超級電容監控系統由開關電源、HMI、可編程控制器(Programmable Logic Controller ，PLC)等多個硬件組成，存在著硬件損壞、軟件崩潰、通信失聯等可能。當發生系統自身失效時，會造成不能正常對超級電容進行狀態檢測、運行控制和故障保護，存在嚴重的安全隱患。因此，對超級電容監控系統自身實行狀態監控及保護也非常重要。

本文首先分析基于HMI的超級電容監控系統各種可能的失效成因，然后論述了電源故障、HMI故障、超級電容通訊故障、PLC故障等自保護方案。最后，對實際開發的超級電容監控系統進行自保護功能測試結果。

1 監控系統自身失效分析

HMI是監控系統的核心，通過總線網絡連接多臺被監控設備——超級電容，實時獲取設備運行狀況，并發送控制指令[13-14]。HMI一般還需要外接一臺PLC(也可以用可控I/O設備替代)，用于獲取開關量等狀態，并且控制聲光組件等報警裝置動作，最重要的是當系統出現嚴重故障時，能夠通過PLC操作外部裝置實現系統保護，如切斷故障設備電源、將故障部件解列、切除負載等。

基于HMI的監控系統典型硬件/網絡拓撲如圖1所示[15]。

圖1 典型監控系統硬件(網絡拓撲)

在這種監控系統中，PLC和HMI一般采用開關電源供電，因此出現系統自身失效的可能包括：監控系統掉電、開關電源損壞、被監控設備硬件損壞導致通信中斷、被監控設備軟件異常導致通信中斷、總線網絡線路故障導致通信中斷、HMI硬件故障、HMI軟件系統崩潰、PLC硬件損壞、PLC程序異常、HMI與PLC通信失聯等。

故障按部件可分為：電源故障、超級電容故障、HMI故障、PLC故障。故障按類型可分為：硬件故障、軟件故障、通信故障。

根據工程經驗，出現故障的幾率從高到低依次為(被監控設備由于種類很多，可靠性也各不相同，因此不參加排序)：網絡線路故障、電源故障、HMI軟件故障、HMI硬件故障、PLC故障。網絡線路由于接線松動、蟲鼠災害、線路老化、人為破壞、環境干擾等因素影響，出現故障的可能性相對較高。電源部分由于線路故障、供電質量低、雷擊、開關電源易損等因素影響，也容易出現故障。PLC雖然內部也相當復雜，但是由于技術十分成熟，盡量選用西門子、三菱、歐姆龍等大廠的工業級產品，質量還是十分可靠的；而且在監控系統中作為保護使用的PLC，控制程序不需要十分復雜，因此故障率相對來說反而是最低的。

2 監控系統自保護設計

2.1 電源故障自保護

常見電源故障包括系統掉電、開關電源損壞等。電源故障檢測的關鍵問題是：發生電源故障后HMI和PLC都不能工作。如何準確地將故障對外展現，就需要在輸出電平定義上著手。

監控系統運行狀態輸出硬件原理如圖2所示，PLC輸出端子Q0.1(可以改用其他任意輸出端子)用于指示監控系統是否運行正常，以及驅動相應報警和保護裝置工作。

圖2 監控系統自保護輸出硬件原理圖

為了在出現電源故障時能夠正常指示監控系統運行狀態，對Q0.1輸出電平定義如下：當系統運行正常時，輸出電平為高電平；當系統出現自身失效時，輸出電平為低電平。

在系統正常運行時，HMI控制PLC的Q0.1值為1，此時內部等效開關閉合，端子輸出高電平。當系統整體掉電或開關電源損壞時，不管PLC是否工作，輸出電平肯定是低電平，此時報警裝置和保護裝置動作(報警和保護裝置要求采用獨立的電源，或配備后備電源)，解決了電源故障指示的問題。

2.2 HMI故障自保護

HMI故障通過PLC檢測，包括HMI硬件損壞、HMI軟件異常、PLC與HMI通信中斷。

監控系統正常工作時，HMI會定期和PLC進行通信，但是如果不進行特殊處理，PLC無法判斷HMI是否正常工作，為了實現PLC對HMI工作狀態的檢測，采用了心跳包技術。

心跳包就是通信雙方間按照一定的時間間隔發送一個簡短的通信指令通知對方自己的狀態，類似于心跳，所以叫做心跳包[16]。

HMI每隔一段時間將PLC的M0.0(也可以是任意其他可用位地址)值翻轉，如果PLC檢測到該位的值連續一段時間保持不變，就認定HMI工作不正常或是PLC和HMI之間的通訊線路出現問題。

PLC檢測HMI工作狀態的程序如圖3所示，當M0.0超時不變時，Q0.1值置0，結合圖2可知，端口輸出低電平。

圖3 HMI狀態檢測程序

2.3 被監控設備(超級電容)通信故障自保護

被監控設備故障包括設備狀態故障和通信故障等，只要通訊正常，設備的其他故障理論上都能被檢測到并通過網絡通知HMI處置，因此不屬于監控系統自保護關注內容。本文只關注被監控設備因為硬件損壞或軟件異常導致的通信中斷，以及總線網絡線路故障導致HMI和被監控設備通信不正常時的自保護。

HMI對設備監控常用的兩種方式：(1)HMI主動模式，HMI定期查詢設備狀態信息；(2)HMI被動模式，設備定期向HMI上報狀態信息。HMI被動模式還有一個變種模式：設備正常時只向HMI發送心跳包，當設備狀態變化或異常時才會主動上報狀態信息或報警信息。不管采用哪種方式，HMI和被監控設備都有一個定期交互的過程，可以從此著手進行保護設計。

對于HMI主動定期查詢狀態信息的方式，當查詢指令發送后，如果被監控設備在設定的超時時間范圍內沒有應答，就可以認定為通信超時。容錯策略：當發生通信超時后，HMI嘗試重發查詢指令并等待設備應答，在設定次數的重試失敗后才最終認定設備通信中斷。

被監控設備定期上報信息的實現方式是，HMI在內存中維護一個待接收對象通信信息隊列，當接收到設備上報信息后，更新隊列中對應對象的通信信息。HMI周期性地輪詢隊列通訊狀態，如果某個被監控設備的最后一次成功通信時間距當前時刻超過設定時長，則認定被監控設備通信中斷。容錯策略：將超時時長設定為實際上報間隔的多倍長。

當HMI檢測到被監控設備通信中斷時，一方面在HMI顯示屏上以指示燈及文字跑馬燈等形式指示故障，同時控制PLC的Q0.1值為0，此時端子輸出低電平。

2.4 PLC故障自保護

PLC故障通過HMI檢測，包括PLC硬件損壞、PLC程序異常、HMI與PLC通信中斷。

監控系統正常工作時，HMI會定期和PLC進行通信。當PLC因為硬件損壞或是通信線路故障導致無法和HMI進行通信時，HMI可以正常檢測到，但是要檢測PLC程序是否正常運行，則需要特殊處理。

HMI對PLC工作狀態檢測原理：PLC在主程序的尾部，定期將M0.1(也可以是任意其它可用位地址)的值翻轉；HMI定期讀取該位的值，如果讀取失敗，則表明PLC損壞或是通信線路故障；如果讀取成功但是該值一直保持不變，則表明PLC沒有進入運行狀態或是程序執行有問題。

當HMI檢測到PLC異常時，一方面在HMI顯示屏上以指示燈及文字跑馬燈等形式指示故障，同時用短信或郵件形式通知管理人員(僅限帶LAN接口的HMI)。

3 監控系統的自保護功能測試

3.1 實際開發的超級電容監控系統簡介

實際開發的超級電容監控系統保護對象為Maxwell公司所生產的BMOD0063 P125系列超級電容模塊(Ultra Capacitor Module，UCM，更通常的翻譯為Super Capacitor Module)，該超級電容自帶CAN通信功能。人機界面觸摸屏(HMI)選用上海鴻昶Sukon-070C，該觸摸屏自帶2路485端口、1路CAN端口。PLC選用西門子S7-200 CPU222。

超級電容監控系統硬件/網絡拓撲如圖4所示(圖中SM為智能電表)，軟件功能框架如圖5所示，系統調試主界面如圖6所示。

圖4 超級電容監控系統硬件(網絡拓撲)

該系統的PLC輸出包括三個保護端子。Q0.2為UCM預警輸出端子，正常時低電平，預警時高電平；Q0.0為UCM報警輸出端子，正常時低電平，報警時高電平；Q0.1為系統自保護輸出端子，正常時高電平，系統失效時低電平。

圖5 超級電容監控系統功能框架

圖6 超級電容監控系統調試主界面

3.2 自保護功能測試分析

超級電容監控系統的自保護功能測試結果如表1所示。

表中通信故障都有容錯處理，通信超時一般都設置成500 ms。

從表1中可以看出，超級電容監控系統的自保護功能達到了設計要求，可以有效保護監控系統可靠運行。

表1 自保護功能測試結果

4 結論

超級電容監控系統自保護是加強系統可靠性的重要措施，使監控系統能夠在自身失效的時候及時告警，通知管理人員，同時自動采取必要的保護措施確保被監控設備安全。

本文重點闡述了超級電容監控系統發生電源故障、HMI故障、超級電容通信故障、PLC故障時，系統實現自保護的方案。實驗證明，該自保護設計方案是可行且有效的。

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Self-protection design on the super capacitor monitoring system

Peng Changqing,Shang Rongyan

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

In the large-current discharge experiment system,the super capacitor monitoring system has problems such as hardware damage,software crash,and communication loss.Therefore,this paper proposed a self-protection scheme of the power failure,HMI fault,communication failure of the super capacitor,and PLC fault,which solves the failure detection and protection problem of the monitoring system.Finally,the self-protection function test of the actual super capacitor monitoring system shows that the self-protection scheme is indeed feasible and effective.

super capacitor; human machine interaction; monitoring system; self-protection

廈門科技計劃項目(3502720153029)

TP319

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.008

彭長青，尚榮艷.超級電容監控系統的自保護設計[J].微型機與應用，2017,36(10)：26-29.

2016-11-25)

彭長青(1976-)，男，碩士，主要研究方向：電氣裝置狀態監測與故障診斷。

尚榮艷(1975-)，女，博士，主要研究方向：電氣裝置狀態監測與故障診斷。