基于PLC和OPC技術的液冷型PEMFC熱管理控制系統設計

劉德波

黃河科技學院，河南鄭州，450006

0 引言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）因其高效、清潔、環保而廣泛應用于新能源汽車領域中[1]。電堆溫度影響著液冷型質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系統運行時，大量的能量以熱能方式損耗。為維持電堆運行溫度的穩態與適當的電堆內溫差[4-5]，必須運用合適的溫度控制策略，及時排出電堆內部過剩的熱能，進而確保電堆能運轉穩定。

為保障PEMFC能安全、可靠、高效地運行，需要有專門的PEMFC控制系統實時監測電堆的運行參數。一個完善的PEMFC控制系統通過收集、分析、處理數據，保證系統運行無異常，且當系統產生故障時，也能快速做出響應。PEMFC控制系統在某種意義上明確了PEMFC系統的實用化與商業化水準，研發出合適的PEMFC控制系統是PEMFC產業化所面對的重大項目。當前有諸多研究機構對PEMFC的研發已有大量成果[6-7]，但整個系統的標準還未完備。應對不同類別的燃料電池，這些文獻開發了各自的測試系統，能確保PEMFC調控的需求，實施燃料電池的開啟、停止及安穩地運轉，對象集中在空冷型燃料電池測控系統。與空冷型燃料電池相比，液冷型燃料電池的調控系統的要求更為嚴苛與精準，且不同類型的燃料電池的調控系統迥然不同。

應對液冷型PEMFC，考慮不同策略優缺點和燃料電池運行參數調控需求，本文構建了液冷型PEMFC測控平臺。因構建的液冷型PEMFC熱管理試驗平臺無法直接模擬電堆功率，故通過在Matlab的Simulink中構建電堆動態數學模型來模擬功率，應用OPC技術實現Matlab與PLC的實時通信與數據傳輸。

1 液冷型PEM FC系統

1.1 液冷型PEM FC系統構成

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

圖1 質子交換膜燃料電池系統結構

1.2 液冷型PEMFC熱管理系統的結構

本研究液冷型PEMFC熱管理系統見圖2，由電堆、循環水泵、散熱器、節溫器、冷卻水管道、PLC及諸多傳感儀表等構成。

圖2 液冷型PEMFC熱管理系統結構

冷卻水泵和散熱器風扇能控制電堆溫度，其工作原理是依靠調節散熱風扇的電壓來控制電堆入口溫度，調整冷卻水泵的頻率控制冷卻水進、出電堆溫度之差，冷卻水泵和散熱風扇間協同調控來確保電堆運行溫度的安穩。

節溫器把循環水分成大小循環，并依據節溫器的溫度調控特點，在節溫器內冷卻水在50多攝氏度時，依據其溫度大小自動開啟或關閉閥門，自動調控兩支路冷卻水的流量。在經過節溫器的循環水溫降至50℃以下時，冷卻水經過水泵出口由節溫器支路抵至電堆入口，循環水無需通過散熱器；在節溫器內的循環水溫升高至50℃左右時，節溫器閥門逐步開啟，散熱器旁路的流量逐步增加，開啟散熱器風扇強迫空氣對流來強化散熱性能，節溫器旁路冷卻水的流量逐步降低，大小循環管路均有冷卻水流動；伴隨溫度的升高，即循環水溫大于60℃，節溫器閥門全開，這時節溫器支路封閉，循環水由散熱器旁路形成大范圍循環。節溫器可自主調控冷卻水循環通道的功效，能加速燃料電池系統開啟進程的增溫速率，使得電堆快速進入至正常運行態，能極大提高熱管理系統的效率。

2 測試系統的硬件

控制系統主要由工控機、數據采集卡及上位機軟件等構成。工控機依靠數據采集卡與外部設備聯接，外連設備信號依靠數據采集卡切換成數字信息傳輸給工控機來展示與分析；工控機的數字信息由數據采集卡處置后轉變成數字信息來調控外連設備。單片電壓收集系統與電子負載分別依靠串口通信與工控機實行信息交換。測試系統硬件結構見圖3。

圖3 控制系統硬件結構圖

3 測試系統軟件

3.1 PLC軟件控制流程

PLC依靠與上位機軟件的實時數據交換來監控實驗流程。PLC上電開啟后，進至初始化模塊，各標志位、控制位、警告位及報警位復位，初始化終結，進至空閑態。實施空閑態是為確保風扇、水泵關閉，檢驗各項參數有無異常，判定環境能否適宜，若環境有反常，則置位對應報警或警告位，告知上位機軟件停止開機。初始化與空閑態的流程圖見圖4（a）和（b）。

圖4 PLC初始化和空閑態流程圖

初始化完畢后，PLC正式開啟進至運轉狀態，人機窗口維持實時工作，實時監控加熱器功率、電堆進出口溫度、散熱器出口溫度、循環水流量與壓力等指標有無異常，可設置水泵電機的頻率、散熱器風扇的電壓與PID等重要指標。當監測發現加熱器接通電源，發現加熱功率，PLC當即開啟循環水泵，設置電機最小頻率的水泵，最低流量的冷卻水流動，依據實驗需求設定相應參數，進到實驗測試進程，系統運行階段流程圖見圖5。

圖5 系統運行階段流程圖

將系統非正常狀況劃分為警告與報警，系統發現任一非正常狀況時，先手動斷開加熱器電源，若出現警告信號，依照正常停機程序經略微延長后再停機；若出現報警信息，系統實施立刻停機流程，保護系統免遭損害。

結束運行狀態后，實施停機程序，為不損害系統性能，使系統壽命延長，須實行合理的停機措施：先手動切斷加熱器電源，后臺監測發現加熱器電壓是0的信息時，當電堆出口溫度＞50℃，維持散熱器運行至出口溫度＜50℃，后延遲一分鐘將水泵關閉，整個系統會停止運行，系統停機流程見圖6。

圖6 系統停機流程圖

3.2 人機界面軟件設計

采取專門的組態編輯軟件FD2000編制人機交互界面，設置了三個主要的功能，第一個是人機界面首頁，也是實驗數據的展示界面，見圖7，可在線展示各項數據的采集信息，將所需的實驗數據存至SD卡中，以便深化分析與處理。在首頁的左側可點擊兩個按鈕，可開啟參數設置與工作波形窗口。第二個為參數設置窗口，見圖8，左邊可設置水泵電機頻率監控水泵轉速、散熱器風扇電壓控制風扇轉速；右邊可設定散熱器風扇的PID參數，可依據調控需求設置PID的三個參數，以便實時控制溫度。第三個為工作波形界面，見圖9，可便捷觀測系統變量的改變態勢，依據需求分別設定電堆進出口溫度、散熱器出口溫度、散熱器旁路流量、節溫器支路流量及風扇電壓等工作波形的小窗口，可依靠右下側的“＜”與“＞”按鍵展示各運行波形窗口。

圖7 人機界面首頁數據顯示

圖8 人機界面參數設置

圖9 人機界面運行波形

3.3 基于OPC技術的PLC與Matlab實時通信

3.3.1 OPC通信技術

運用OPC技術明確OPC服務器與OPC客戶端，其中服務器對象、組對象及數據項對象組成OPC服務器[8-9]，采集儀表的數據信號，依靠OPC串口把信號傳送至OPC客戶端，OPC客戶端負責處置OPC服務器給予的信息，反應至OPC服務器。OPC構架與服務器層次關系見圖10。

圖10 OPC構架與服務器層次關系圖

OPC客戶端信息訪問程序為OPC工具箱，提供服務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數據服務器，實施對鏈接的OPC服務器數據讀寫功能[10-11]。

SIMATIC NET是智能化合成體系中給予的一個開源的通信體系，可實現設備儀表、PLC、服務器和PC的聯網通信，其包含OPC服務，是客戶端訪問服務器的軟件。當上位機程序無法直接鏈接PLC時，可依靠SIMATIC NET OPC服務鏈接上位機與PLC，實行基于OPC技術的上位機與PLC的實時鏈接。

3.3.2 通信系統的結構設計

構建的液冷型PEMFC熱管理測試系統中以西門子的S7-1200PLC為控制器。PLC不能實施繁雜的邏輯計算，阻礙控制算法在PLC中的運用[12]?？稍贛atlab中的Simulink組件中模擬電堆功率。運用OPC技術實施Matlab與PLC的實時鏈接，通信系統的結構設計見圖11。Matlab依靠OPC通信協議獲取PLC收集的信號，在Simulink中計算模型后依靠OPC協議將產出量傳輸至PLC來對系統進行監控。

圖11 OPC通信系統結構設計

3.3.3 PLC與Matlab通信的施行

使用PLC編程軟件STEP7對SIMATIC PC站進行組態，見圖12，SIMATIC NET對PC站實行設置并定為OPC服務器，依靠以太網與PLC實施通信聯絡。在MATLAB中開啟OPC工具箱，在Simulink中加入服務器與客戶端，將SIMATIC NET設定的參數加入至客戶端，進而實行MATLAB與PLC的實時鏈接。

電堆電流為模型輸入變量，電堆輸出功率為輸出變量，流量伴隨功率函數依據模擬的實時數值獲取相應的循環水流量。在Simulink中獲取OPC Write、OPC Read及OPC Configuration板塊，將循環水流量加入至OPC Write板塊，依靠OPC技術與PLC進行實時讀寫操控，OPC通信的構建見圖13。

圖13 OPC通信的電堆動態模型

4 實驗驗證與分析

4.1 液冷型PEMFC熱管理測試系統

構建的液冷型PEMFC熱管理測試系統實驗裝置見圖14。用S7-1200PLC對數據信息進行采集和控制，系統其余部分由交流水泵、節溫器、散熱器以及各類傳感器等組成。相關實驗參數見表1。

圖14 液冷型PEMFC熱管理測試系統

表1 實驗參數

4.2 流量跟隨電流控制方法實驗

冷卻水流量與散熱風扇電壓改變趨勢見圖15，冷卻水流量能極快調整至適宜的數值，與電堆電流的動態改變趨勢成一定比例波動相近，流量的震動較小，提升了循環水的流量對電堆產熱反應速率與精準度，大大削弱了傳統控制方法中流量的晃動與流量隨功率劇烈震動情形，散熱風扇電壓震動也顯著降低，變化趨于平緩，極大降低了水泵與風扇的耦合效果。

圖15 流量伴隨電流的冷卻水流量與風扇電壓

冷卻水出入口溫度與溫差改變見圖16所，循環水出入口溫度的過沖量與震動顯著降低，均能高速抵達至設置值并保持穩定，冷卻水出口溫度平穩性能獲得顯著提高，溫差也更平穩。電流流量伴隨電流控制方法使電堆溫度改變更穩定，本次實驗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 結語

本文從熱管理控制系統的功效與實驗要求著手，構建了滿足要求的基于PLC的液冷型PEMFC熱管理控制系統測試平臺。編制了PLC軟件初始化、空閑態、運行態及停機進程的程序，開發了簡潔的人機交互界面；運用OPC技術實施PLC與MATLAB間實時鏈接，處理了流量伴隨電堆電流溫度控制方法的試驗測試難題，構建的熱管理系統測試平臺為展開熱管理系統相應檢測與試驗給予了一定支撐。實驗結果說明，該測試平臺運轉平穩，具有良好的控制效能，為液冷型PEMFC的機制研發與控制方法的優化設置提供了一定的基礎。