plc畢業(yè)設(shè)計--基于hmi的plc的超級電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文） </b></p><p>　　2013－2014 學(xué)年度</p><p>　　基于HMI和PLC的超級電容充放電</p><p><b>　　控制系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　學(xué)生姓名 &l

2、t;/p><p>　　學(xué) 院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學(xué) 號 </p>&l

3、t;p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2014年5月20日</p><p>　　基于HMI的PLC的超級電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　本文在介紹PLC和人機界面（HMI）的基礎(chǔ)上，提出了超級電容充放

4、電控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，設(shè)計并制作了用于超級電容充電的恒流源，并利用PLC軟件進行模擬量輸入和數(shù)值運算，利用HMI軟件繪制人機界面，對超級電容在充放電過程中的荷電狀態(tài)進行實時監(jiān)控，實驗表明，本設(shè)計能實現(xiàn)對超級電容充放電的控制，達到了預(yù)期的目標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超級電容，PLC，HMI，恒流源</p><p>　　The Design of Super capacitor Cha

5、rge and Discharge control system Based on HMI and PLC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　On the basis of PLC and human-machine interface (HMI), the super capacitor charge and discharg

6、e control system design scheme was proposed. We design a constant current source for super capacitor charging, and we use PLC software for analog input and numerical calculation. Besides, the use of HMI software is to re

7、nder the man-machine interface and monitor the super capacitor in the process of charging and discharging charged state in time. From the experiment results, this design can control the </p><p>　　KEY WORDS：s

8、uper capacitor，PLC，HMI，constant current source</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.2 超級電容的現(xiàn)狀1</p>

9、<p>　　1.3 本課題研究的內(nèi)容及意義2</p><p><b>　　2 PLC概述2</b></p><p>　　2.1 PLC簡介2</p><p>　　2.2 歐姆龍PLC的編程器件區(qū)3</p><p>　　2.3 PLC工作原理與組成單元3</p><p>　　2

10、.3.1 PLC的工作原理3</p><p>　　2.3.2 PLC的組成單元3</p><p>　　2.4 PLC的特點4</p><p><b>　　3 HMI概述5</b></p><p>　　3.1 HMI簡介5</p><p>　　3.2 HMI的基本功能5</p>

11、;<p>　　3.3 HMI的組成及其工作原理6</p><p>　　4 超級電容介紹6</p><p>　　4.1 超級電容SOC的定義6</p><p>　　4.2 超級電容的結(jié)構(gòu)6</p><p>　　4.3 超級電容的充放電特性7</p><p>　　5 超級電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計8

12、</p><p>　　5.1 恒流源設(shè)計8</p><p>　　5.1.1 恒流源電路圖8</p><p>　　5.1.2 恒流源實物圖9</p><p>　　5.2 硬件設(shè)計10</p><p>　　5.2.1 PLC的I/O分配表10</p><p>　　5.2.2 PLC外部接線

13、圖10</p><p>　　5.2.3 充電電路圖11</p><p>　　5.2.4 實物連接圖11</p><p>　　5.3 PLC的程序設(shè)計12</p><p>　　5.4 HMI的界面設(shè)計15</p><p>　　5.4.1 通訊連接15</p><p>　　5.4.2 地

14、址分配16</p><p>　　5.4.3 界面設(shè)計16</p><p><b>　　5.5 調(diào)試17</b></p><p>　　5.5.1 調(diào)試前注意事項17</p><p>　　5.5.2 PLC程序調(diào)試17</p><p>　　5.5.3 HMI界面18</p>

15、<p><b>　　6 總結(jié)19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　致　謝21</b></p><p><b>　　附　錄22</b></p><p><b>　　緒 論<

16、;/b></p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　超級電容作為一種新型的儲能器件,有著其無可替代的優(yōu)越性，它結(jié)合了鋰離子電池和雙電層電容兩者的優(yōu)點，已經(jīng)成為近年來研究的熱點之一。超級電容又稱雙電層電容器，它是介于普通電容器和充電電池間的一種新型的儲能元件。碳電極、有機聚合物電極以及金屬氧化物電極則是超級電容常用的三種電極材料。與傳統(tǒng)的電

17、化學(xué)電池相比，超級電容的優(yōu)點越發(fā)突出，除了充電的速度快效率高、電容的功率密度高、循環(huán)使用壽命很長的優(yōu)點外它還有控制簡單、低溫性能優(yōu)越、綠色環(huán)保等優(yōu)點，由此可見，超級電容必定具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　超級電容用途非常廣泛：在混合動力汽車中，超級電容器非常高的功率密度就很好地滿足了電車在起動、加速、爬坡時對功率的需求，因此可以作為混合型電動車的加速或起動電源；在電子類方面，除了可以用作玩具電池，還可以

18、作為醫(yī)療機械設(shè)備的急救電源；超級電容的儲能裝置在電力系統(tǒng)中也可作為一種精致補償器來改善系統(tǒng)電壓的質(zhì)量，此外，超級電容在光伏發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中也有著很廣泛的用途和應(yīng)用前景[1]。</p><p><b>　　超級電容的現(xiàn)狀</b></p><p>　　超級電容器作為一種性能卓越的儲能元件，可以作為獨立電源或復(fù)式電源使用，廣泛應(yīng)用在備用電源、脈沖放電、啟動、牽引動力等領(lǐng)域

19、。自1957 年美國人Becker 發(fā)布第一篇關(guān)于超級電容器的專利以來, 超級電容器以其特有的優(yōu)點為各國政府、軍事部門及工業(yè)界所重視, 并得到很大程度上的發(fā)展。在超級電容的研究及應(yīng)用方面, 美國、日本和俄羅斯走在世界的前列。超級電容的研究在我國雖然起步比較晚，但是通過努力也取得了杰出的成果。2004年7月份，由上海的十多家科研單位聯(lián)合開發(fā)的首部超級電容公交車快速充電系統(tǒng)通過驗收，并在投入試運行。2006年8月，超級電容公交車11路示范線

20、正式通車。目前超級電容的容量也已經(jīng)能達到法拉級甚至上萬法拉，常用的超級電容的電容量是0.1F~5000F，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電和大電流放電，比蓄電池具有更長的循環(huán)使用壽命（充放電次數(shù)可達10萬次），更高的功率密度（可達1000W/kg數(shù)量級）。由此可見，我國在超級電容方面的自主知識產(chǎn)權(quán)也達到了國際領(lǐng)先的水平[2]。</p><p>　　本課題研究的內(nèi)容及意義</p><p>　　Li離子、N

21、iMH等新型電池有著比較合理的能量儲存方案，并且也廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，但是眾所周知，化學(xué)電池的原理是電化學(xué)反應(yīng)，通過產(chǎn)生法拉第電荷的轉(zhuǎn)移來儲存電荷的，故它們的使用壽命較短，并且很容易受溫度的影響，當(dāng)然這也是鉛酸電池（蓄電池）所面臨的難題[3]。由于這些電池的壽命受大電流的直接影響，因此，對于那些長壽命、高可靠性要求的某些應(yīng)用，這些電池的不足就日漸突出，超級電容器作為一種新型儲能裝置，由于它的儲能的過程是可逆的，而且可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次

22、，具有功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點登上了時代舞臺。超級電容的充放電特性是超級電容的一個重要的指標(biāo)，對超級電容充放電控制系統(tǒng)的研究也就具有很重要的意義。</p><p><b>　　PLC概述</b></p><p>　　PLC是英文Programmable Logic Controller的縮寫，意為可編程序邏輯控制器。世界上第一臺PLC于1

23、969年由美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制成功。隨著科技的發(fā)展，PLC的功能也逐漸增強，它也不再局限于邏輯控制，因此，美國電氣制造協(xié)會（NEMA）于1980年把它重命名為可編程控制器（Programmable Controller）,簡稱PC，但是由于PC與個人計算機的英文縮寫PC（Personal Computer）容易發(fā)生混淆，于是人們便習(xí)慣將PLC當(dāng)成縮寫。由于PLC一直在發(fā)展之中，最后的定義尚未確定。國際電工委員會（IEC）給出P

24、LC的最新定義是：</p><p>　　PLC是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其相關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 </p><p><b>　

25、　PLC簡介</b></p><p>　　日本歐姆龍公司是世界著名的PLC生產(chǎn)商之一，歐姆龍公司的PLC小型機與其他日本品牌的小型機一樣非常有特色，某些歐美中大型機能實現(xiàn)的控制功能，用歐姆龍小型機就可以實現(xiàn)。歐姆龍公司PLC產(chǎn)品分為大、中和小型機，大、中型機采用模塊式結(jié)構(gòu)，小型機采用整體式結(jié)構(gòu)。</p><p>　　CP1H/CP1L/CJ1和CS1系列分別是歐姆龍主推的小、中

26、、大型PLC。CP1H/CP1L具有與CJ1、CS1幾乎一樣的內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)，故可使用CJ1、CS1一樣的梯形圖編程。CP1H系列的PLC是歐姆龍公司于2005年推出的小型機。該機型外型小巧，速度極快，執(zhí)行基本命令僅需0.1us，且內(nèi)置功能強大。CP1H系列PLC設(shè)備與CS/CJ系列共通的體系結(jié)構(gòu)，最多同時帶7臺歐姆龍CPM1A系列的擴展I/O及兩臺CJ1系列的高功能I/O或高功能CPU單元，大大增強了開關(guān)量和模擬量的擴展能力。另外，CP

27、1H系列PLC取消了手持編程的支持，它采用USB接口與編程計算機連接，還提供了RS-232C和RS-485接口與外接設(shè)備進行連接通信[4]。</p><p>　　歐姆龍PLC的編程器件區(qū)</p><p>　　PLC的I/O存儲區(qū)又稱編程器件區(qū)（或稱軟元件區(qū)），PLC編程過程可以看作是用指令對該區(qū)域進行操作的過程。CP1H系列PLC的I/O的存儲區(qū)可以分為通道I/O區(qū)（CIO區(qū)）、內(nèi)部輔助繼

28、電器區(qū)（WR）、保持繼電器區(qū)（HR）、特殊輔助繼電器區(qū)（AR）、暫存繼電器區(qū)（TR）、定時器區(qū)（TIM）、計數(shù)器區(qū)（CNT）、數(shù)據(jù)存儲器區(qū)（DM）、變址寄存器區(qū)（IR）、數(shù)據(jù)寄存器區(qū)（DR）、任務(wù)標(biāo)志區(qū)（TK）等。</p><p>　　PLC工作原理與組成單元</p><p><b>　　PLC的工作原理</b></p><p>　　PLC是由

29、一種程序控制運行的設(shè)備。其工作方式與微型計算機不同，微型計算機運行到結(jié)束指令時，程序運行結(jié)束。PLC運行程序時，會按順序依次逐條執(zhí)行存儲器中的程序指令，當(dāng)執(zhí)行完最后的指令后并不會馬上停止，而是又重頭開始再執(zhí)行存儲器中的程序，如此周而復(fù)始，PLC的這種工作方式稱為循環(huán)掃描方式。</p><p><b>　　PLC的組成單元</b></p><p>　　PLC主要由CPU

30、、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信接口和擴展接口等組成。其組成單元如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 典型的PLC控制系統(tǒng)組成框圖</p><p><b>　　PLC的特點</b></p><p>　　PLC是一種專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的控制器，它主要有以下特點：</p><p>　　1.可靠性高，抗干擾能力強

31、：為了適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求，PLC從硬件和軟件方面采用了大量的技術(shù)措施，以便能在惡劣環(huán)境下長時間可靠運行，現(xiàn)在大多數(shù)PLC的平均無故障運行時間可達幾十萬小時。</p><p>　　2.通用性強，控制程序可變：PLC可利用齊全的各種硬件裝置來組成各種控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計或者制作硬件裝置。硬件裝置確定以后，即使在生產(chǎn)設(shè)備更新或者生產(chǎn)工藝流程改變的情況下，用戶也無需大量改變PLC硬件設(shè)備，只需更改PLC的程序就能

32、滿足要求。</p><p>　　3.功能強，且適應(yīng)范圍廣：現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算，順序控制，定時、計數(shù)等功能外，還具有模擬量和數(shù)字量的輸入輸出端口、功率驅(qū)動、人機對話、通信和自檢等功能，既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線、又可以控制一個生產(chǎn)過程。</p><p>　　4.編程簡單，易用易學(xué)：目前大多數(shù)PLC采用梯形圖編程方式，梯形圖語言的編程元件符號和表達式方式與繼電控制的電路原理圖非常相

33、近，這樣使大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員非常容易接受和掌握。</p><p>　　5.系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和維修方便：PLC軟件取代了大量的時間繼電器、中間繼電器、計數(shù)器等繼電器控制系統(tǒng)中的器件，大大減少了控制柜在設(shè)計安裝接線時工作量。另外，通過計算機在實驗室仿真調(diào)試PLC用戶程序，減少了現(xiàn)場調(diào)試的工作量。此外，由于PLC結(jié)構(gòu)模塊化及很強的自我診斷能力，維修也極為方便。</p><p><b&

34、gt;　　HMI概述</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計中使用了威綸通公司的HMI,所謂HMI就是Human machine interface的縮寫。翻譯成中文是人機界面，也叫人機接口，是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介。HMI是連接可編程控制器（PLC）、儀表、變頻器等的工控設(shè)備，利用人機界面可以實現(xiàn)顯示屏顯示功能，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）進行工作參數(shù)的寫入和操作命令的輸入

35、，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設(shè)備，主要由軟件和硬件兩部分組成。</p><p><b>　　HMI簡介</b></p><p>　　本設(shè)計中采用OMRON NB-Z系列可編程終端的NB7W-TW00B-Z。 NB7W-TW00B-Z采用了7英寸高亮度16:9 TFT液晶顯示屏，具有很高的性價比。由于采用了LED背光，比傳統(tǒng)的CCFL背光更加環(huán)保、更加節(jié)能、使用壽命更長

36、。另外它還支持U盤和SD卡擴展，能夠存儲大容量數(shù)據(jù)，同時USB還可以連接打印機等外設(shè)。 </p><p>　　NB-Z系列顯示設(shè)備（PT：可編程終端）可用于顯示信息及接收輸入操作。能以圖形形式向用戶展示系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)。開關(guān)可置于顯示區(qū)域，用于將輸入信號發(fā)送至主設(shè)備。顯示設(shè)備同時可方便操作者快速查看和響應(yīng)系統(tǒng)或設(shè)備中的錯誤。</p><p><b>　　HMI的基本功能<

37、;/b></p><p>　　人機界面具有設(shè)備工作狀態(tài)的顯示（文字、按鈕、指示燈、曲線、圖形等），數(shù)據(jù)、文字輸入操作、打印輸出，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄，簡單邏輯和數(shù)值運算等功能，且可以連接多種工控設(shè)備。</p><p>　　HMI的組成及其工作原理</p><p>　　人機界面由軟件和硬件兩個部分組成，硬件部分由數(shù)據(jù)存儲器、處理器、輸入單元、顯示單元、通訊接口等組成

38、，人機界面的性能高低取決于處理器的性能高低，因此處理器處于核心地位。根據(jù)HMI產(chǎn)品等級的不同，處理器的選擇有8位、16位、32位三種。人機界面軟件一般分成兩部分，分別是系統(tǒng)軟件和畫面組態(tài)軟件，其中系統(tǒng)軟件運行于HMI硬件，組態(tài)軟件運行于PC機Windows操作系統(tǒng)。使用者必須先用畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過人機界面和PC機的串行通訊口（如RS-232C、RS-485、以太網(wǎng)等）進行通訊，在處理器中下載編制好的“工程文件”，然后運

39、行即可。</p><p><b>　　超級電容介紹</b></p><p>　　超級電容SOC的定義</p><p>　　SOC，英文全稱state of charge，是電池行業(yè)用語標(biāo)稱荷電狀態(tài)或者剩余容量。蓄電池使用了一段時間或者長期擱置不用后的剩余容量與它完全充電狀態(tài)的容量的比值，也常用百分數(shù)來表示。SOC=1即表示為電池充滿狀態(tài)。荷電狀

40、態(tài)（SOC）是標(biāo)稱當(dāng)前電池容量的狀態(tài)的參數(shù)，是控制蓄電池的重要指標(biāo)。通過對準(zhǔn)確可靠的狀態(tài)參數(shù)進行電池的控制與管理，能夠更好地使用電池組，并且延長使用壽命。超級電容也存在荷電狀態(tài)的參數(shù)，其含義與蓄電池荷電狀態(tài)含義一致。</p><p><b>　　超級電容的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　碳電極材料、水合物電極材料、金屬氧化物材料以及導(dǎo)電聚合物電極材料是超級電容常用電

41、極材料。早期的超級電容器的電極采用碳，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示，碳電極材料的表面積很大，其中電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容量值可以非常大，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般容值范圍為1～5000F。超級電容的電解質(zhì)是超級電容結(jié)構(gòu)的核心部分，一般需要有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的導(dǎo)電性，所以一般選用導(dǎo)電性較好的金屬和石墨來充當(dāng)。電解質(zhì)材料有兩類，一類是有機類，另一類是無機類，還可

42、以將材料分固態(tài)類和液態(tài)類兩大類。我們通常利用使用功率來選擇使用固態(tài)的、水溶液的或者是有機的電解質(zhì)。常用的有機電解質(zhì)隔膜有聚合物或紙，而常用的水溶液電解質(zhì)有可陶瓷隔膜或玻璃纖維。此外，超級電容的隔離膜的作用是防止相鄰的兩電極發(fā)生短路，一般使用多孔隔膜，這樣就可以保證接觸電阻盡量薄，盡量小[5]。總而言之，超級電容的性能很大程度上受制造技術(shù)、電解質(zhì)的組成、電極的材料以及隔離膜質(zhì)量的影響。</p><p>　　圖4-1

43、 超級電容器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　超級電容的充放電特性</p><p>　　為了探討電容的充電特性，人們分別使用20A 和50A的充電電流對超級電容進行充電，觀察這段時間電容電流和電壓變化情況。得出如圖4-2，4-3所示的充電特性曲線[5]。</p><p>　　圖4-2 20A充電曲線 圖4-3 50A充電曲線<

44、/p><p>　　由圖可知，電流由0逐漸上升至額定電流，當(dāng)達到了額定電壓，再對其進行恒壓充電。恒壓時，可以看出，電流逐漸減小最后降為0。因此該過程可以看成恒流向恒壓轉(zhuǎn)換的過程。根據(jù)電容的原理，電容的端電壓與電流有如下關(guān)系：</p><p>　　C × ΔV = ∫i dt (1

45、)</p><p>　　式中，i 是通過超級電容的電流。</p><p>　　若i 恒定為I 時，上式變?yōu)?lt;/p><p>　　C × ΔV = I ×T (2)</p><p>　　式中， I 可視為超級電容的充電

46、電流，T 為電流持續(xù)的時間。</p><p>　　在充電過程中，若C 不變，則超級電容端電壓就與時間T就存在線性關(guān)系。由圖4-2，4-3可以看出，超級電容的電壓確實是近似線性變化的，這就說明超級電容具有線性充電特性。從上圖還可以看出，充電時間隨著充電電流的增大而減小，并且通過計算可以得出，用大電流充入的電量會比用小電流充入的電量多[5]。</p><p>　　假設(shè)電流取負值，這就說明這時超

47、級電容放電的過程類似于充電過程，電荷量也在線性變化。下圖是北京集星公司生產(chǎn)的SU2400P-0027V-1RA型超級電容在不同電流下的線性放電曲線。 </p><p>　　圖4-4 放電曲線</p><p>　　由圖4-4可知，放電伊始，電壓值有一個突降過程，然后觀察電容的端電壓會發(fā)現(xiàn)：端電壓會隨著放電時間的增加近似的線性減小。當(dāng)達到放電的終止電壓后，在斷開放電負載的瞬間，端電壓將會回

48、升，進而進入放電弛緩狀態(tài)。放電的電流過大以及放電瞬間等效串聯(lián)電阻的反向壓降是端電壓回落的兩個重要原因，并且隨著的電流越大，這種電壓突降現(xiàn)象會越明顯。</p><p>　　超級電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　恒流源設(shè)計</b></p><p><b>　　恒流源電路圖</b></p>&l

49、t;p>　　為了能對超級電容進行充電，設(shè)計了一款簡易恒流源，其工作原理圖如圖5-1所示，電路所用的元器件列表，見附錄一。</p><p>　　圖5-1 恒流源的電路圖</p><p>　　恒流源又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬頻譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應(yīng)速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點，主要用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需

50、要設(shè)定額定電流、動作電流、短路保護電流等生產(chǎn)場合。恒流源的實質(zhì)是利用器件LM317對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于穩(wěn)定[6]。</p><p><b>　　恒流源實物圖</b></p><p>　　恒流源實物圖包含很多個部件，如PCB板，變壓器，散熱器以及四個電容器，具體實物圖如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-

51、2 恒流源及超級電容照片</p><p><b>　　硬件設(shè)計</b></p><p>　　PLC的I/O分配表</p><p>　　根據(jù)控制要求，確定PLC輸入輸出點數(shù)，并明確輸入輸出的地址，地址分配如表5-1所示。</p><p>　　表5-1 PLC的I/O分配表</p><p>&l

52、t;b>　　PLC外部接線圖</b></p><p>　　根據(jù)I/O分配表畫出PLC的外部接線圖，如圖5-３所示。</p><p><b>　　220V</b></p><p>　　圖 5-3 PLC外部接線圖</p><p><b>　　充電電路圖</b></p>

53、<p>　　外部接線圖中，具體的恒流源的充電電路，如圖5-4所示。</p><p><b>　　220V</b></p><p><b>　　KM</b></p><p>　　A B C D</p><p>　　至PLC的A/D轉(zhuǎn)接口</p><p>　　圖

54、 5-4 充電電路圖</p><p><b>　　實物連接圖</b></p><p>　　整個實驗需要用到電腦對PLC進行編程以及對人機界面的繪制，需要恒流源對超級電容供電，需要PLC軟件和人機界面供電的供電電源。具體連接圖如下：</p><p>　　圖5-5 實物連接圖</p><p><b>　　PLC的

55、程序設(shè)計</b></p><p>　　對于該課題的研究，梯形圖的程序可以分為兩大段，即程序初始化階段和程序運行階段。或者分為九小段，具體如下：</p><p><b>　　電容容量輸入</b></p><p>　　圖5-6所示的程序目的是將電容容量700F送至D10通道便于后面的算術(shù)運算。</p><p>　

56、　圖5-6 電容容量輸入程序</p><p><b>　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)定</b></p><p>　　線性轉(zhuǎn)換指令SCL指令需要用到兩個坐標(biāo)（0，0），（0BB8，50），圖5-7所示程序的目的就是將4個數(shù)據(jù)傳送到D20開始的連續(xù)4個通道里。傳送過程中需要注意橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)以及傳送數(shù)字的類型是十進制BCD數(shù)還是十六進制數(shù)。此外，該段程序?qū)?V的電壓放大至50V，目

57、的是提高電壓的精度。</p><p>　　圖5-7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)定程序</p><p><b>　　塊傳送</b></p><p>　　利用塊傳送指令將上面?zhèn)魉偷木€性轉(zhuǎn)換4個數(shù)分別傳送到W0，W5，W10和W15開始的連續(xù)4個通道里，為下面的模擬量的線性轉(zhuǎn)換打下基礎(chǔ)，其程序如圖5-8所示。</p><p>　　圖5-

58、8 塊傳送程序</p><p><b>　　模擬量的轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　將4個電容器的電壓分別傳送到200通道開始的連續(xù)四個通道內(nèi)，并且通過線性轉(zhuǎn)換SCL指令將采集過來的數(shù)據(jù)進行線性轉(zhuǎn)換，計算出4個電容器的電壓（是實際電壓的十倍），然后存放在以D0開始的連續(xù)4個通道內(nèi)，其程序如圖5-9所示。</p><p>　　圖5-9 模擬

59、量的轉(zhuǎn)換程序</p><p><b>　　電容數(shù)值縮小十倍</b></p><p>　　由于之前將電壓變成原來的10倍，現(xiàn)在則將電容變?yōu)樵瓉淼?/10，即該段程序的目的是保持計算的電荷量不發(fā)生變化，具體程序如圖5-10所示。</p><p>　　圖5-10 電容數(shù)值縮小10倍</p><p><b>　　電荷

60、量的計算</b></p><p>　　根據(jù)電容電荷量的計算公式：Q=C*U，計算出參考電荷量以及4個電容器的電荷量，其中4個電容器的電荷量分別存放在D41，D43，D45，D47 四個不連續(xù)的通道，目的是為了進行塊比較指令，方便與參考電荷量進行比較，其程序如圖5-11所示。</p><p>　　圖5-11 電荷量的計算程序</p><p><b&

61、gt;　　塊比較指令</b></p><p>　　圖5-12的程序的目的是將4個電容的電荷量分別與參考電荷量進行比較。</p><p>　　圖5-12 塊比較程序</p><p><b>　　指示燈</b></p><p>　　圖5-13所示的程序中若一個電容器的電荷量超過參考電荷，H0的0到3位必然會輸出

62、1，則燈100.00會亮，達到報警的目的，當(dāng)電壓低于額定電壓按下0.02則會復(fù)位。</p><p>　　圖5-13 過充指示程序</p><p><b>　　電容充電的控制</b></p><p>　　按下0.00電容器的充電， 按下0.01電容器停止充電，其程序如圖5-14所示。</p><p>　　圖5-14 電

63、容充電控制程序</p><p><b>　　HMI的界面設(shè)計</b></p><p><b>　　通訊連接</b></p><p>　　圖5-15 通訊連接圖</p><p><b>　　地址分配</b></p><p>　　人機界面和PLC的通訊連接

64、是通過地址的一致性來實現(xiàn)的，人機界面每個控件與PLC地址的對應(yīng)關(guān)系，詳見表5-2。</p><p>　　表5-2 人機界面的地址分配表</p><p><b>　　電壓電容</b></p><p>　　電容器AD0 電容器AD41</p><p>　　電容器BD1 電容器BD4

65、3</p><p>　　電容器CD2 電容器CD45</p><p>　　電容器DD3 電容器DD47</p><p><b>　　參考電荷量D30</b></p><p><b>　　啟動按鈕0.00</b></p><p>&l

66、t;b>　　停止按鈕0.01</b></p><p>　　電源指示燈100.01</p><p>　　過充指示燈100.00</p><p><b>　　界面設(shè)計</b></p><p>　　圖5-16 控制界面</p><p>　　圖5-17 曲線圖</p&g

67、t;<p>　　本文的關(guān)鍵對超級電容進行實時監(jiān)控，因此需要對于四個電容器分別進行電壓和充電電荷量的監(jiān)測以及繪制電荷量變化的曲線圖，實時監(jiān)控畫面如圖5-16，圖5-17所示。</p><p><b>　　調(diào)試前注意事項</b></p><p>　　(1) 確保HMI正負接線柱接對，給HMI上24V的電壓；</p><p>　　(2)

68、 確保模擬量接入PLC的A/D接口；</p><p>　　(3) 確保實驗前PLC和HMI均上電。</p><p><b>　　PLC程序調(diào)試</b></p><p>　　在PLC程序編寫和調(diào)試的過程中遇到了一些問題，其具體的問題以及解決方案如下：</p><p><b>　　關(guān)于SCL指令</b>

69、</p><p>　　實驗過程中需要將SCL指令用到的兩個點，這兩個點確定了一條直線，但是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要注意的是橫坐標(biāo)必須是十六進制數(shù)，而縱坐標(biāo)必須是BCD數(shù)，用數(shù)字15來舉例，十六進制的表示形式為#1111，BCD數(shù)表示為&15。由于沒注意這個細節(jié)導(dǎo)致，SCL指令運行出錯。</p><p><b>　　關(guān)于塊比較指令</b></p>&

70、lt;p>　　用通道41，43，45，47分別存放電容A、B、C、D的電荷量，而40、42、44、46存放數(shù)字0，比較結(jié)果放在保持繼電區(qū)，如表5-3所示。</p><p><b>　　表5-3 塊比較</b></p><p>　　如果參考電荷量在0~實際的電荷量 之間，即實際電荷量超過了額定電荷量，對應(yīng)的H的某一位為1，從而指示燈亮，也就達到了警示目的。<

71、;/p><p><b>　　關(guān)于計算</b></p><p>　　通過計算可知，電容的最大電荷量不超過2000庫倫，采用電壓放大10倍，來提高電壓的精度，而電容降低10倍，最終根據(jù)電荷量的公式：Q=C * U ，計算出的電荷量不變，同時也避免了雙字除法的運算，簡化了程序。</p><p><b>　　HMI界面</b><

72、/p><p><b>　　人機界面的主界面</b></p><p>　　下圖是人機界面的主界面，由圖5-9可知，原來很抽象的電壓，電荷量，通過界面可以直觀地看出目前的電荷狀況，達到了實時監(jiān)控的目的。</p><p>　　圖5-18 運行人機界面圖</p><p>　　(2)充電、放電曲線圖</p><p

73、>　　圖5-19 充電放電曲線圖</p><p>　　上圖是超級電容的充放電曲線，由曲線可知，電容的電荷量與時間呈現(xiàn)線性的關(guān)系，而且放電瞬間電荷量先有個突降，然后再緩慢變小。曲線與所包圍的面積是電容的電荷量，也就是說，充電時間越長，所充的電荷量就越多。左圖是每個超級電容的曲線圖，右圖是超級電容分別在1A、2A、3A的充電電流下的充電曲線圖，由圖可知，電流越大，斜率越大，充電也越快。</p>

74、<p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過一個多月的努力，從論文的選題，到具體的內(nèi)容的構(gòu)思，再到現(xiàn)在論文的最終完成，每個階段都凝聚著老師的心血和我的辛勤汗水。本文研究的主題是超級電容充放電控制系統(tǒng)，超級電容的電荷量是能量管理的重要環(huán)節(jié)，能夠為今后的控制提供重要的數(shù)據(jù)參考。本文在前人的基礎(chǔ)上，結(jié)合超級電容本身的特性，利用HMI和PLC相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了對超級電容的充

75、放電狀態(tài)的實時監(jiān)控。結(jié)合本文，所做的工作和主要成果如下：</p><p>　　1.設(shè)計了一個恒流源，為超級電容的充電提供了方便。</p><p>　　2.本文結(jié)合了HMI和PLC兩個軟件，搭建了能夠?qū)Τ夒娙莸某浞烹娺M行實時監(jiān)控的系統(tǒng)。通過PLC將電容的模擬量采集過來然后傳給HMI，在HMI上可以看到超級電容的電壓電荷變化狀態(tài)，并且也可以在HMI上對電容進行充電的控制。</p>

76、<p>　　超級電容充放電特性的研究有著很大的應(yīng)用前景，但是能量監(jiān)控卻不是一個簡單的系統(tǒng)，有著很多難點技術(shù)，壁壘也很高，如超級電容單體的電壓均衡技術(shù)，容量檢測技術(shù)等。由于研究時間和本人的研究水平的限制，仍然有許多的研究工作沒有完成。希望日后能夠?qū)ζ渥龀錾钊氲奶骄浚⑶以谖粗I(lǐng)域中取得一定的成果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&g

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82、Lataire．Using Super Capacitor Based Energy Storage to Improve Power Quality in Distributed Power Generation .Telecommunications Energy Conference，2004，(1)：537．543</p><p><b>　　致　謝</b></p>&

83、lt;p>　　本文是在陳杰老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在這段時間內(nèi)，陳老師以敏銳的洞察力，淵博的知識，嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)給與我很大的幫助，讓我受益匪淺。在本文即將完成之際，謹此向我的論文導(dǎo)師陳老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！</p><p><b>　　倪瑩瑩</b></p><p>　　2014年5月20號　　</p><p&g