高壓電容器充放電參數采集裝置設計

費曉峰

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

目前一些高壓電容器在放電時可以產生峰值功率高達100 MW 的高功率微波，這種微波含有極高的能量，在醫療、軍事、工業等領域有著廣泛應用。例如，醫療領域的前沿學科——生物醫學電磁學，就是利用高壓電容器放電產生的電磁場診斷和治療各種疾病。高壓電容器在實際應用中，不僅要做到快速充電，更重要的是靈活、精準地控制放電，確保電容器的安全使用。在這一背景下，設計一種高壓電容器充放電參數采集與控制裝置具有重要的應用價值。

1 高壓電容器充放電參數采集裝置的設計思路

1.1 總體設計方案

本裝置主要用于高壓電容器充放電參數的采集，所得數據經過后續的處理、分析后，計算機可以智能評估高壓電容器的運行狀態，并將實測的電壓、電流值與預期值進行對比，從而為下一步充放電的自動調控提供依據。該參數采集裝置主要由3 部分組成，分別是人機交互觸摸屏、控制元件PLC 及前端電信號采集模塊。該裝置分別連接高壓電容器的充電端和放電端，從而實現對電流、電壓信號的實時采集，裝置的結構組成如圖1 所示。

圖1 裝置設計方案

其中，充電控制電路連接高頻恒流充電電源，為電容器組供電，技術人員可以通過上位機的人機交互界面，自定義充電電壓值，設定充電時間，然后下達充電指令開始充電；放電控制電路由PLC 控制，通過提前編寫控制程序，實現對放電時間、放電次數的自動控制。

1.2 采集監控設備的選擇

該裝置的采集監控設備分為2 部分。其一是前端傳感器。其作用是實時獲取高壓電容器組的運行參數。如果選擇電流傳感器，則主要采集電容器組的電流信號。其二是上位機觸摸屏。由于采集到的電流信號無法直觀地展示電容器的運行情況，因此需要借助上位機觸摸屏將數字信號轉化成虛擬信號，并且通過觸摸屏直觀地展示充放電變化曲線。這樣一來，設備管理人員就能通過觸摸屏實時監控整個充放電過程；另外，設備管理人員還可以根據高壓電容器的出廠設置、運行環境等，設定一個安全閾值。如果采集到的實時數據超出了安全閾值的范圍，則該裝置還會自動進行蜂鳴報警，提醒設備管理人員及時處理故障。

1.3 儲能電容器的選擇

科學選擇儲能電容器對提高充放電數據的準確性有一定幫助。對于獨立安裝的高壓電容器來說，通常具有體積偏小、電容值不高等特點。因此在實際的電力系統建設中，通常會選擇將多個電容器串并聯的方式，組成一個具有一定規模的電容器組，從而達到提高電容器耐壓值、電容值的效果。常見的電容器組有“12 并4 串”“8 并2串”等。為了保證儲能電容器組的穩定運行，在電容器的選型上應注意以下兩點：一是同一電容器組中串并聯的電容器，盡量選擇相同型號，這樣可以提高相互之間的兼容性；二是連接電容器的導線盡量選擇過流能力較強的粗導線，通過增大導體橫截面積來降低電感應，避免電容器組在頻繁的充放電后出現振蕩。

2 可編程邏輯控制器的選型

可編程邏輯控制器（PLC）作為一種常用的工業微處理器，可通過編程語言完成多種控制功能。根據結構組成的不同，可以將PLC 分成整體式、組合式2 種基本形式。在高壓電容器充放電參數采集裝置的設計中，出于安裝成本、運行環境等方面的考慮，本文選擇了整體式PLC。這種PLC 的主要特點是將多個功能模塊及其連接電路均封裝在一個密閉空間內，形成微型主機。利用主機的USB 接口可以實現供電、燒錄程序等功能。整體式PLC 不僅體積更小，而且封裝之后相當于為內部PLC 和電路提供了保護，因此即便是在惡劣環境下也能保持穩定運行。

2.1 西門子S7-200CN 型PLC 的技術規范

目前市場上常見的PLC 類型有多種，本文選擇西門子S7-200CN 型PLC 作為高壓電容器充放電參數采集裝置的核心單元。其可以支持7-Micro、WIN4.0 等版本的編程軟件在線編程，內置2 個通信接口，4 個中斷輸入，以及2 個模擬量I/O 口。最大可擴展的模擬量輸入/輸出點數為38，可直接連接的擴展模塊數為7，程序存儲器最大容量16384B。從結構上來看，主要包括CPU、存儲器和輸入/輸出單元等，具體結構如圖2 所示。

圖2 西門子S7-200CN 型PLC 的結構組成

在電容器的充放電參數采集中，前端裝置采集到的信號經過輸入接口傳入到PLC 中，經過一系列的變換和處理后，再由輸出接口發送控制信號。這些信號、指令經通信單元到達前端執行器件，實現對現場電容器充放電的自動化控制。

2.2 西門子S7-200CN 型PLC 的工作方式

PLC 通過周期循環掃描的工作方式運行。正常上電后，PLC 有2 種工作狀態，分別是RUN（運行）狀態、STOP（停止）狀態。如果用戶想要重新設置PLC 的功能，或者編輯、下達一些控制指令，需要手動調整PLC的工作狀態為“STOP”，在設置完畢后再將工作狀態切換至“RUN”。在“RUN”狀態下，PLC 以周期循環掃描的方式，運行用戶編寫的程序或者下達的指令，從而確保既定控制功能的順利實現。PLC 在2 種狀態下的周期循環掃描流程如圖3 所示。

根據圖3 可知。PLC 的“RUN”工作狀態實際上包含了“STOP”狀態，因此本文只簡單分析“RUN”狀態的循環掃描工作方式。PLC 成功上電以后，首先進行內部處理，主要包括進行I/O 口的復位檢查、中央處理器的自診斷等，判斷系統一切正常后，執行下一個程序；如果自檢中發現問題，則顯示錯誤的具體類型、發生位置，并將錯誤信息反饋給設備管理人員，以便于檢查、維修。進入通信服務環節后，PLC 的通信單元會正常接收從前端數據采集裝置、編程器等發送過來的數據、程序、命令，然后按照相應的類別進行存儲。處理完畢后，還要顯示處理結果，例如數據的存儲位置，程序的執行情況等。之后PLC 開始對傳感器傳送的數據進行計算、分析，并將程序執行結果輸出到狀態寄存器中。由于PLC 采用周期循環掃描工作方式，因此每完成一個運行周期，會刷新一次輸出結果，這樣就能實現對電容器充放電情況的實時、動態監控。

圖3 PLC 循環掃描工作方式

3 觸摸屏的選型

3.1 觸摸屏的工作原理

該采集裝置的觸摸屏由兩部分構成，分別是觸摸檢測部分和觸摸屏控制部分。當然，在實際安裝和應用時，可以用鼠標、鍵盤組合代替觸摸屏，也能完成信息輸入。其中，觸摸屏檢測部分本質上可以看作是定位裝置，可以檢測用戶觸摸的具體位置，然后將該位置對應的信號發送給觸摸屏控制器。控制器分析觸摸位置信號，將模擬信號轉化成數字信號后，傳遞給CPU 進行處理。CPU 在識別信息后，了解用戶的操作意圖，然后作出響應，實現人機交互。

3.2 觸摸屏的選擇

在充放電參數采集裝置的設計中，觸摸屏的合理選擇也是一項重要內容。根據安裝位置、實現功能的不同，對觸摸屏各項參數（如分辨率、畫面數等）的要求也存在明顯差異。本文列舉了4 種常用觸摸屏的基本參數，見表1。

表1 4 種常見觸摸屏的綜合比較

在上位機監控設備的設計中，選擇西門子700IE型電容式觸摸屏，人機界面采用一體化設計，監控視頻可以在觸摸屏上實時展示，方便管理人員及時掌握現場電容器組的運行工況。另外，該觸摸屏還可以顯示被控制對象的各項詳細參數，并且支持管理人員通過觸屏操作，查看不同類型的監控信息。在充放電參數采集監控系統的設計中，選擇了西門子Smart 型表面聲波觸摸屏，供電電源24 V DC（直流穩壓電源），以太網接口100 Mb/s，支持掉電保持，掉電保持容量256 MB。

觸摸屏與控制中心之間采用RS485 端口通信，可同時滿足前端數據反饋和終端指令下達的需要。由于RS485 端口在數據傳輸時，采用的是差分傳輸模式，從而有效避免了信道堵塞、響應延遲的問題。另外，考慮到高壓電容器與監控中心之間的距離較遠，使用RS485 端口通信還可以解決信號長距離傳輸中被噪聲干擾的問題，對提高信號質量也有一定幫助。

4 系統充放電電路設計

4.1 電路系統組成

該裝置的核心功能是收集充放電參數，然后方便對高壓電容器充放電過程的定時與定壓控制，這樣既可以保證高壓電容器所在的電路系統可以實現穩定運行，同時也能為檢修工作的安全開展創造良好條件。在實際中，經常會出現多臺高壓電容器串并聯的情況，因此充放電電路也比較復雜。本文為了研究方便，對充放電電路進行了簡化，其結構如圖4 所示。

由圖4 可知，充放電電路整體上采用閉環控制，用戶需要在上位機的觸摸屏上輸入電容器放電或充電的電壓值，在觸摸屏上點擊“確認”后將該控制指令傳遞到前端的執行單元，開始進行電容器的放電、充電。當高壓電容器正常充/放電時，電壓檢測電路也同步啟動，并且以特定的頻率采集電容器兩側的電壓值。采集到的數值同步上傳到上位機，由上位機將采集到的實際值與預設值進行對比，判斷電容器的充電或放電是否達到了設定要求。只要“實際值小于預設值”，則維持當前的充電或放電狀態；直到最新采集的數據顯示“實際值等于預設值”，則自動停止電容器的充電或放電。在該系統的設計中，選擇了高頻脈沖式恒流充電電源為電路供電，可以保證穩定、持續供電，支持短時間內頻繁的充放電，對提高控制結果的精確性有積極效果。

圖4 電路系統組成結構圖

4.2 電路參數設計

在充放電電路的設計中，放電線圈的電感值（L）、電阻值（R），以及電容器組的電容值（C）等參數，都會對充放電參數采集裝置的實際運行效果產生直接影響。根據以往的經驗可知，在電容器充放電控制系統中，減小回路導線的電阻、降低回路開關的電感等措施，都可以直接影響到充放電控制結果的精確度。需要注意的是，在這些電路參數中，有些參數（如放電線圈的電阻值）是可以借助于測量儀器進行直接測量的，還有一些參數（如放電回路的電感值）無法直接測得，只能通過仿真實驗進行估測。為了使電路參數盡可能的精確，還需要設計系統電路并進行求解。這里以電容電壓（uc）為例，其求解過程如下。

假設某高壓電容器充放電電路中需要充入電壓U0，此時測量放電回路的電阻值為R，電感值為L，完全放電狀態下測得電容器的電容值為C。當電容器與放電線圈并聯回路中的開關斷開時，該電路的放電過程符合二階電路的零輸入響應，故滿足以下等式

式中：uR表示放電回路總電壓，uL表示電容器并聯電路電壓，兩者的計算式為

式（2）中：i 表示線圈脈沖放電電流。將式（2）和式（3）求和后即可計算出電容器充放電系統中電容電壓（uc）的值。

5 結束語

高壓電容器由于自身的電容量較大，使得充放電周期變長、控制難度較大。在電子信息技術和自動化控制技術的發展下，設計和使用一種可以智能控制電容器充放電的裝置，無論是保障高壓電容器的使用安全，還是對于體現控制的自動化、人性化均有積極幫助。本文設計的一種以PLC 作為中心控制單元，同時融合了觸摸屏技術、信號采集技術的充放電參數采集裝置，可以實現對高壓電容器組充放電參數的實時監控、精準測量。在此基礎上由計算機對比當前實際電容量與預期電容量之間的差距，然后生成充電、放電指令，實現對充放電的自動控制，以便于更好地發揮高壓電容器組的使用價值。