基于PLC和OPC技術(shù)的液冷型PEMFC熱管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉德波

黃河科技學(xué)院，河南鄭州，450006

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其高效、清潔、環(huán)保而廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域中[1]。電堆溫度影響著液冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體傳輸特性、膜的含水量、輸出特性以及其工作年限[2-3]。在PEMFC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，大量的能量以熱能方式損耗。為維持電堆運(yùn)行溫度的穩(wěn)態(tài)與適當(dāng)?shù)碾姸褍?nèi)溫差[4-5]，必須運(yùn)用合適的溫度控制策略，及時(shí)排出電堆內(nèi)部過剩的熱能，進(jìn)而確保電堆能運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

為保障PEMFC能安全、可靠、高效地運(yùn)行，需要有專門的PEMFC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電堆的運(yùn)行參數(shù)。一個(gè)完善的PEMFC控制系統(tǒng)通過收集、分析、處理數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行無異常，且當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，也能快速做出響應(yīng)。PEMFC控制系統(tǒng)在某種意義上明確了PEMFC系統(tǒng)的實(shí)用化與商業(yè)化水準(zhǔn)，研發(fā)出合適的PEMFC控制系統(tǒng)是PEMFC產(chǎn)業(yè)化所面對(duì)的重大項(xiàng)目。當(dāng)前有諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)PEMFC的研發(fā)已有大量成果[6-7]，但整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)還未完備。應(yīng)對(duì)不同類別的燃料電池，這些文獻(xiàn)開發(fā)了各自的測(cè)試系統(tǒng)，能確保PEMFC調(diào)控的需求，實(shí)施燃料電池的開啟、停止及安穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)象集中在空冷型燃料電池測(cè)控系統(tǒng)。與空冷型燃料電池相比，液冷型燃料電池的調(diào)控系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)苛與精準(zhǔn)，且不同類型的燃料電池的調(diào)控系統(tǒng)迥然不同。

應(yīng)對(duì)液冷型PEMFC，考慮不同策略優(yōu)缺點(diǎn)和燃料電池運(yùn)行參數(shù)調(diào)控需求，本文構(gòu)建了液冷型PEMFC測(cè)控平臺(tái)。因構(gòu)建的液冷型PEMFC熱管理試驗(yàn)平臺(tái)無法直接模擬電堆功率，故通過在Matlab的Simulink中構(gòu)建電堆動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來模擬功率，應(yīng)用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab與PLC的實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

1 液冷型PEM FC系統(tǒng)

1.1 液冷型PEM FC系統(tǒng)構(gòu)成

液冷型PEMFC系統(tǒng)見圖1，由電堆、供空氣系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及加濕系統(tǒng)等組成。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 液冷型PEMFC熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本研究液冷型PEMFC熱管理系統(tǒng)見圖2，由電堆、循環(huán)水泵、散熱器、節(jié)溫器、冷卻水管道、PLC及諸多傳感儀表等構(gòu)成。

圖2 液冷型PEMFC熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷卻水泵和散熱器風(fēng)扇能控制電堆溫度，其工作原理是依靠調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇的電壓來控制電堆入口溫度，調(diào)整冷卻水泵的頻率控制冷卻水進(jìn)、出電堆溫度之差，冷卻水泵和散熱風(fēng)扇間協(xié)同調(diào)控來確保電堆運(yùn)行溫度的安穩(wěn)。

節(jié)溫器把循環(huán)水分成大小循環(huán)，并依據(jù)節(jié)溫器的溫度調(diào)控特點(diǎn)，在節(jié)溫器內(nèi)冷卻水在50多攝氏度時(shí)，依據(jù)其溫度大小自動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門，自動(dòng)調(diào)控兩支路冷卻水的流量。在經(jīng)過節(jié)溫器的循環(huán)水溫降至50℃以下時(shí)，冷卻水經(jīng)過水泵出口由節(jié)溫器支路抵至電堆入口，循環(huán)水無需通過散熱器；在節(jié)溫器內(nèi)的循環(huán)水溫升高至50℃左右時(shí)，節(jié)溫器閥門逐步開啟，散熱器旁路的流量逐步增加，開啟散熱器風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣對(duì)流來強(qiáng)化散熱性能，節(jié)溫器旁路冷卻水的流量逐步降低，大小循環(huán)管路均有冷卻水流動(dòng)；伴隨溫度的升高，即循環(huán)水溫大于60℃，節(jié)溫器閥門全開，這時(shí)節(jié)溫器支路封閉，循環(huán)水由散熱器旁路形成大范圍循環(huán)。節(jié)溫器可自主調(diào)控冷卻水循環(huán)通道的功效，能加速燃料電池系統(tǒng)開啟進(jìn)程的增溫速率，使得電堆快速進(jìn)入至正常運(yùn)行態(tài)，能極大提高熱管理系統(tǒng)的效率。

2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)軟件等構(gòu)成。工控機(jī)依靠數(shù)據(jù)采集卡與外部設(shè)備聯(lián)接，外連設(shè)備信號(hào)依靠數(shù)據(jù)采集卡切換成數(shù)字信息傳輸給工控機(jī)來展示與分析；工控機(jī)的數(shù)字信息由數(shù)據(jù)采集卡處置后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息來調(diào)控外連設(shè)備。單片電壓收集系統(tǒng)與電子負(fù)載分別依靠串口通信與工控機(jī)實(shí)行信息交換。測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件

3.1 PLC軟件控制流程

PLC依靠與上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換來監(jiān)控實(shí)驗(yàn)流程。PLC上電開啟后，進(jìn)至初始化模塊，各標(biāo)志位、控制位、警告位及報(bào)警位復(fù)位，初始化終結(jié)，進(jìn)至空閑態(tài)。實(shí)施空閑態(tài)是為確保風(fēng)扇、水泵關(guān)閉，檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)有無異常，判定環(huán)境能否適宜，若環(huán)境有反常，則置位對(duì)應(yīng)報(bào)警或警告位，告知上位機(jī)軟件停止開機(jī)。初始化與空閑態(tài)的流程圖見圖4（a）和（b）。

圖4 PLC初始化和空閑態(tài)流程圖

初始化完畢后，PLC正式開啟進(jìn)至運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，人機(jī)窗口維持實(shí)時(shí)工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱器功率、電堆進(jìn)出口溫度、散熱器出口溫度、循環(huán)水流量與壓力等指標(biāo)有無異常，可設(shè)置水泵電機(jī)的頻率、散熱器風(fēng)扇的電壓與PID等重要指標(biāo)。當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)加熱器接通電源，發(fā)現(xiàn)加熱功率，PLC當(dāng)即開啟循環(huán)水泵，設(shè)置電機(jī)最小頻率的水泵，最低流量的冷卻水流動(dòng)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)程，系統(tǒng)運(yùn)行階段流程圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行階段流程圖

將系統(tǒng)非正常狀況劃分為警告與報(bào)警，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)任一非正常狀況時(shí)，先手動(dòng)斷開加熱器電源，若出現(xiàn)警告信號(hào)，依照正常停機(jī)程序經(jīng)略微延長(zhǎng)后再停機(jī)；若出現(xiàn)報(bào)警信息，系統(tǒng)實(shí)施立刻停機(jī)流程，保護(hù)系統(tǒng)免遭損害。

結(jié)束運(yùn)行狀態(tài)后，實(shí)施停機(jī)程序，為不損害系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)壽命延長(zhǎng)，須實(shí)行合理的停機(jī)措施：先手動(dòng)切斷加熱器電源，后臺(tái)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)加熱器電壓是0的信息時(shí)，當(dāng)電堆出口溫度＞50℃，維持散熱器運(yùn)行至出口溫度＜50℃，后延遲一分鐘將水泵關(guān)閉，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)停止運(yùn)行，系統(tǒng)停機(jī)流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)停機(jī)流程圖

3.2 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

采取專門的組態(tài)編輯軟件FD2000編制人機(jī)交互界面，設(shè)置了三個(gè)主要的功能，第一個(gè)是人機(jī)界面首頁(yè)，也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的展示界面，見圖7，可在線展示各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集信息，將所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存至SD卡中，以便深化分析與處理。在首頁(yè)的左側(cè)可點(diǎn)擊兩個(gè)按鈕，可開啟參數(shù)設(shè)置與工作波形窗口。第二個(gè)為參數(shù)設(shè)置窗口，見圖8，左邊可設(shè)置水泵電機(jī)頻率監(jiān)控水泵轉(zhuǎn)速、散熱器風(fēng)扇電壓控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；右邊可設(shè)定散熱器風(fēng)扇的PID參數(shù)，可依據(jù)調(diào)控需求設(shè)置PID的三個(gè)參數(shù)，以便實(shí)時(shí)控制溫度。第三個(gè)為工作波形界面，見圖9，可便捷觀測(cè)系統(tǒng)變量的改變態(tài)勢(shì)，依據(jù)需求分別設(shè)定電堆進(jìn)出口溫度、散熱器出口溫度、散熱器旁路流量、節(jié)溫器支路流量及風(fēng)扇電壓等工作波形的小窗口，可依靠右下側(cè)的“＜”與“＞”按鍵展示各運(yùn)行波形窗口。

圖7 人機(jī)界面首頁(yè)數(shù)據(jù)顯示

圖8 人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置

圖9 人機(jī)界面運(yùn)行波形

3.3 基于OPC技術(shù)的PLC與Matlab實(shí)時(shí)通信

3.3.1 OPC通信技術(shù)

運(yùn)用OPC技術(shù)明確OPC服務(wù)器與OPC客戶端，其中服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象及數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象組成OPC服務(wù)器[8-9]，采集儀表的數(shù)據(jù)信號(hào)，依靠OPC串口把信號(hào)傳送至OPC客戶端，OPC客戶端負(fù)責(zé)處置OPC服務(wù)器給予的信息，反應(yīng)至OPC服務(wù)器。OPC構(gòu)架與服務(wù)器層次關(guān)系見圖10。

圖10 OPC構(gòu)架與服務(wù)器層次關(guān)系圖

OPC客戶端信息訪問程序?yàn)镺PC工具箱，提供服務(wù)器與客戶端相互銜接的通信體系，依靠OPC工具箱可鏈接到任一OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)施對(duì)鏈接的OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)讀寫功能[10-11]。

SIMATIC NET是智能化合成體系中給予的一個(gè)開源的通信體系，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀表、PLC、服務(wù)器和PC的聯(lián)網(wǎng)通信，其包含OPC服務(wù)，是客戶端訪問服務(wù)器的軟件。當(dāng)上位機(jī)程序無法直接鏈接PLC時(shí)，可依靠SIMATIC NET OPC服務(wù)鏈接上位機(jī)與PLC，實(shí)行基于OPC技術(shù)的上位機(jī)與PLC的實(shí)時(shí)鏈接。

3.3.2 通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建的液冷型PEMFC熱管理測(cè)試系統(tǒng)中以西門子的S7-1200PLC為控制器。PLC不能實(shí)施繁雜的邏輯計(jì)算，阻礙控制算法在PLC中的運(yùn)用[12]?？稍贛atlab中的Simulink組件中模擬電堆功率。運(yùn)用OPC技術(shù)實(shí)施Matlab與PLC的實(shí)時(shí)鏈接，通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖11。Matlab依靠OPC通信協(xié)議獲取PLC收集的信號(hào)，在Simulink中計(jì)算模型后依靠OPC協(xié)議將產(chǎn)出量傳輸至PLC來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖11 OPC通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.3 PLC與Matlab通信的施行

使用PLC編程軟件STEP7對(duì)SIMATIC PC站進(jìn)行組態(tài)，見圖12，SIMATIC NET對(duì)PC站實(shí)行設(shè)置并定為OPC服務(wù)器，依靠以太網(wǎng)與PLC實(shí)施通信聯(lián)絡(luò)。在MATLAB中開啟OPC工具箱，在Simulink中加入服務(wù)器與客戶端，將SIMATIC NET設(shè)定的參數(shù)加入至客戶端，進(jìn)而實(shí)行MATLAB與PLC的實(shí)時(shí)鏈接。

電堆電流為模型輸入變量，電堆輸出功率為輸出變量，流量伴隨功率函數(shù)依據(jù)模擬的實(shí)時(shí)數(shù)值獲取相應(yīng)的循環(huán)水流量。在Simulink中獲取OPC Write、OPC Read及OPC Configuration板塊，將循環(huán)水流量加入至OPC Write板塊，依靠OPC技術(shù)與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫操控，OPC通信的構(gòu)建見圖13。

圖13 OPC通信的電堆動(dòng)態(tài)模型

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 液冷型PEMFC熱管理測(cè)試系統(tǒng)

構(gòu)建的液冷型PEMFC熱管理測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置見圖14。用S7-1200PLC對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和控制，系統(tǒng)其余部分由交流水泵、節(jié)溫器、散熱器以及各類傳感器等組成。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖14 液冷型PEMFC熱管理測(cè)試系統(tǒng)

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 流量跟隨電流控制方法實(shí)驗(yàn)

冷卻水流量與散熱風(fēng)扇電壓改變趨勢(shì)見圖15，冷卻水流量能極快調(diào)整至適宜的數(shù)值，與電堆電流的動(dòng)態(tài)改變趨勢(shì)成一定比例波動(dòng)相近，流量的震動(dòng)較小，提升了循環(huán)水的流量對(duì)電堆產(chǎn)熱反應(yīng)速率與精準(zhǔn)度，大大削弱了傳統(tǒng)控制方法中流量的晃動(dòng)與流量隨功率劇烈震動(dòng)情形，散熱風(fēng)扇電壓震動(dòng)也顯著降低，變化趨于平緩，極大降低了水泵與風(fēng)扇的耦合效果。

圖15 流量伴隨電流的冷卻水流量與風(fēng)扇電壓

冷卻水出入口溫度與溫差改變見圖16所，循環(huán)水出入口溫度的過沖量與震動(dòng)顯著降低，均能高速抵達(dá)至設(shè)置值并保持穩(wěn)定，冷卻水出口溫度平穩(wěn)性能獲得顯著提高，溫差也更平穩(wěn)。電流流量伴隨電流控制方法使電堆溫度改變更穩(wěn)定，本次實(shí)驗(yàn)獲得了良好的控制效果。

圖16 流量伴隨電流方法冷卻水出入口溫度與溫差

5 結(jié)語(yǔ)

本文從熱管理控制系統(tǒng)的功效與實(shí)驗(yàn)要求著手，構(gòu)建了滿足要求的基于PLC的液冷型PEMFC熱管理控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。編制了PLC軟件初始化、空閑態(tài)、運(yùn)行態(tài)及停機(jī)進(jìn)程的程序，開發(fā)了簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面；運(yùn)用OPC技術(shù)實(shí)施PLC與MATLAB間實(shí)時(shí)鏈接，處理了流量伴隨電堆電流溫度控制方法的試驗(yàn)測(cè)試難題，構(gòu)建的熱管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)為展開熱管理系統(tǒng)相應(yīng)檢測(cè)與試驗(yàn)給予了一定支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該測(cè)試平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，具有良好的控制效能，為液冷型PEMFC的機(jī)制研發(fā)與控制方法的優(yōu)化設(shè)置提供了一定的基礎(chǔ)。