基于電池組性能測試系統的工業控制網絡研究

王雪梅

1、引言

計算機和網絡技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革。控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流。對于大型的工業現場，由于被控對象、測控裝置等設備的地域分散性，以及控制任務的實時性要求，基于現場總線和工業以太網的控制網絡是一個很好的解決方案。現場的信息經傳感器、現場總線再經以太網傳送到遠程的監控終端。同時，控制信息通過控制網絡從遠程監控終端送到工業現場，實現工業過程的遠程監視和控制。[1]

2、電池組性能檢測系統介紹

電池組性能測試系統主要功能是完成多只鉛酸動力蓄電池串聯的充、放電試驗。系統工作模式分為充電、放電、擱置，其中充電控制方式主要有恒流定時充電、恒流定容量充電、恒流定終止電壓充電和恒流限壓定時充電；放電控制方式主要有恒流定時放電和恒流定終止電壓放電；擱置一般是指定時擱置。并且可以根據需要，任意排列三種工作模式、設定工作參數，即充放電工藝的編輯和執行。實現本地和遠程監控功能，本地監控時，現場的人機界面（觸摸屏）負責充放電系統的監視和控制，遠程上位機只起到監視作用；遠程監控時，現場的人機界面只起到監視作用，由遠程上位機實現充放電過程的遠程監控。實現自動和手動控制，自動控制是指按照工藝文件控制充放電過程；手動控制模式下，具有相應權限的用戶可以進行手動開始終止充電和放電過程。

根據電池組性能測試系統技術要求，參考了多種方案，對系統構成的復雜程度、測試精度、可靠性、經濟性等多種因素進行了比較，確定了如下方案：

將電池組性能測試系統分為兩個獨立的控制過程，一是充電過程，一是放電過程。充電部分電路用12脈波可控整流方式，由AC10kV電網經變壓器變成低壓，再經可控整流橋給蓄電池充電，通過調節有載調壓變壓器和可控整流相位角實現充電電流的調節。

放電部分電路用負載電阻和斬波電路的能耗放電方式，通過直流接觸器、電阻負載進行能耗放電，用多個電阻放電支路和斬波放電支路相配合，實現放電電流調節。

從功能角度，電池組性能測試系統主要分為充電系統、放電系統、監控系統、檢測系統。充電系統由變壓器、水冷柜、整流柜、控制柜組成，主要完成電池組充電功能；放電系統由斬波柜、開關柜、電阻負載組成，主要完成電池組放電功能；監控系統由上位機、監控管理軟件、人機界面及其監控軟件、打印機等組成，主要完成電池組充、放電過程的狀態監視、充放電工藝編輯和下載、指令下達、數據記錄和報警、用戶權限管理、分析統計、報表打印等功能；檢測系統由PLC遠程站和傳感器組成，主要完成電池電壓（70～81只）和溫度、系統工作狀態的檢測，并通過DP總線傳送給PLC。

3、工業控制網絡體系結構

基于西門子PLC、HMI和DSP控制器，采用RS-485、PROFIBUS-DP現場總線、工業以太網等多種技術，構建全新的多層次工業控制網絡。本控制網絡共分為現場設備層、本地監控層和遠程監控層，如圖1所示。[2]

3.1現場設備層

現場設備層是指安裝在工業現場的智能儀表、變送器、繼電器、接觸器等數據采集和控制設備，它完成對現場設備的控制及現場數據的采集，并與監控層進行數據交互，是整個系統的基礎，系統的控制邏輯都集中在此層，因此該層應具有較高的可靠性、穩定性及冗余度。現場設備以網絡節點的形式掛接在總線上，通過西門子ET 200遠程站模塊和斬波控制器，以PROFIBUS-DP現場總線和RS485方式與現場監控層通信。

3.2現場監控層

現場控制層是本網絡的中間層，該層從現場設備中獲取數據，完成各種控制策略、運行參數的監測、報警等功能，另外還包括控制策略的設計和下裝，即實現本地監控功能。該層的核心設備是PLC，共包括主、從兩層結構，PLC通過以太網接口和現場總線、RS485接口與遠程監控層和現場設備層相連，協調網絡節點之間的數據通信。

3.3遠程監控層

遠程監控層的主要目的是在以太網環境下構建一個安全的遠程監控系統。該層通過以太網與現場監控層的PLC主站進行通信，對現場數據進行實時監控、分析、報警、歸檔，同時向PLC主站下達控制指令和參數，實現現場過程的遠程監視和控制。

4、功能設計

從圖1中可以看出，本控制網絡主要包括以下幾個控制和通信模塊：主站PLC、從站PLC、斬波控制器、人機界面HMI（TP面板）、上位機等。

4.1主站PLC

主站PLC是整個電池組性能能測試系統的控制和通信的核心，主要完成充放電過程的監視和控制、通訊中轉功能。根據用戶設定，控制放電裝置中各放電支路的通斷和斬波支路的放電電流，同時主站PLC通過RS485與斬波控制器的DSP控制器通信，通過DP總線與從站PLC、人機界面和底層設備通信，通過以太網與遠程上位機通信。將充電裝置、放電裝置、監控設備、檢測系統連接到一起，實現數據的傳送。

4.2從站PLC

從站PLC通過DP總線與主站PLC相連，根據監控系統的指令和設定參數，按照一定的周期掃描充電系統狀態和參數，通過不斷調整變壓器輸出和整流橋相位角，實現對充電過程的控制，同時將采集到的實時狀態和參數傳送給主站PLC，并通過主站PLC傳送給監控系統。主站PLC根據從站PLC反饋回來的狀態和參數，向從站PLC不斷發送新的指令和參數，控制充電過程的運行。

4.3斬波控制器

斬波控制器主要完成放電子系統中斬波支路的控制功能，根據主站PLC的指令和參數給定，輸出3路相位互差120°的PWM觸發脈沖，控制3個斬波單元實現斬波放電支路的電流調節，進而配合其他固定電阻放電支路，實現放電過程的恒流控制。斬波控制器通過RS485與主站PLC通信，接收工作指令并上傳工作狀態。

4.4人機界面HMI

人機界面通過DP總線與主站PLC相連，主要實現充放電過程的本地監視和控制，運行狀態和充放電參數的實時監視，以及本地工作方式下的指令和參數給定。具體功能包括：實時狀態和參數監視和報警、數據記錄、充放電工藝的編輯和下載、故障處理和報警、手動操作、用戶權限管理等。

人機界面監控軟件采用西門子集成開發環境WinCC felxible 2005進行開發，通過輸入/輸出域、按鈕、圖形化儀表等控件實現對充放電工藝過程的實時監視和控制。監控畫面切換和指令給定主要通過按鈕控件和控件事件腳本函數實現。

4.5上位機

遠程上位機通過以太網與主站PLC進行通信，主要實現充放電過程的遠程監控，具體功能包括：狀態和參數的實時監視和報警、數據記錄、分析統計、趨勢圖和報表生成打印、故障處理和報警、充放電工藝編輯和控制、用戶權限管理等。

上位機監控管理軟件采用西門子集成開發環境WinCC 6開發，通過與主站PLC的實時通信監視和控制充放電過程，主要包括畫面子系統、報警子系統、數據記錄和分析子系統、趨勢和報表生成和打印子系統、用戶管理子系統等。

5結束語

本文以蓄電池組性能檢測系統為控制對象，采用最新的工業控制技術和網絡技術構建全新的多層次工業控制網絡。該控制網絡具有分層結構，具有很好的實時性、穩定性和可擴展性，很有推廣價值。

參考文獻：

[1]云利軍.網絡化運動控制系統行為特性的研究[D]：[博士學位論文].天津：河北工業大學，2006

[2]廖常初 陳曉東編著.西門子人機界面——（觸摸屏）組態與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2007.5.