基于PLC電動(dòng)車集中充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陸大同， 盧翠珍

（1. 百色職業(yè)學(xué)院，廣西百色 533000；2. 百色學(xué)院，廣西百色 533000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和國(guó)內(nèi)能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)[1]，作為綠色環(huán)保交通工具的電動(dòng)汽車，近年來(lái)在國(guó)家良好政策補(bǔ)貼和國(guó)際環(huán)境的影響下，在一些地方得到快速發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的燃油汽車，成為人們出行的代步工具，一定程度上有效地解決了能源短缺和燃油汽車排放尾氣造成的環(huán)境污染問(wèn)題。但是，電動(dòng)汽車的發(fā)展除了跟技術(shù)和政策有關(guān)之外，還跟它的配套措施充電基礎(chǔ)有著密切關(guān)聯(lián)。從目前現(xiàn)狀來(lái)看，類似于加油站里加油機(jī)功能的充電站數(shù)量的不足、續(xù)航能力差和充電時(shí)間長(zhǎng)等因素制約著它的全面普及和健康發(fā)展。因此，設(shè)計(jì)一款充電控制系統(tǒng)尤為必要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)擬設(shè)四個(gè)充電樁，以PLC為下位機(jī)，組態(tài)王為上位機(jī)[2]，通過(guò)向PLC輸入充電指令，選擇充電樁，設(shè)置充電時(shí)間，并由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算所需支付的金額，系統(tǒng)運(yùn)行情況可由指示燈直觀顯示，也可由組態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控；在PLC輸出端，通過(guò)繼電器控制充電樁電源的通斷，起到電氣隔離和提高驅(qū)動(dòng)能力的作用。系統(tǒng)的供電使用220 V交流電壓經(jīng)過(guò)空氣開關(guān)以后，一方面直接給PLC，另一方面通過(guò)開關(guān)電源，得到24 V直流電源，供給模擬充電樁的指示燈和繼電器使用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

由圖1可知，系統(tǒng)以西門子S7-200系列的CPU224XP處理器為控制核心，由按鈕輸入、人機(jī)交互觸摸屏、組態(tài)等組成指令輸入部分，繼電器和充電樁為輸出模塊。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)三種指令輸入方式中的一種，比如采用觸摸屏方式輸入，在觸摸屏上錄入各充電樁二維碼，當(dāng)選擇某一充電樁時(shí)自動(dòng)彈出相應(yīng)二維碼，此時(shí)可設(shè)置充電時(shí)間，充電所需費(fèi)用與充電時(shí)間成正比，再設(shè)置確認(rèn)按鈕以模擬用戶掃碼付費(fèi)過(guò)程；組態(tài)輸入方式主要用于模擬系統(tǒng)運(yùn)行；充電故障判斷部分采用按鈕輸入模擬故障發(fā)生，用指示燈模擬故障充電樁。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，指示燈亮起報(bào)警并自動(dòng)斷開故障充電樁電源，每個(gè)充電樁都相互獨(dú)立工作，某個(gè)充電樁發(fā)生故障，并不會(huì)影響其他正常充電樁的使用；若是其他原因急需全部充電樁斷電，可選擇停止運(yùn)行系統(tǒng)的按鈕，真正實(shí)現(xiàn)集中充電控制。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 西門子PLC S7-200外部接線圖

基于上述設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)外接電路采用按鈕分別表示運(yùn)行、停止、時(shí)間設(shè)置與確認(rèn)、運(yùn)行查看及四個(gè)充電樁選擇和模擬故障指令輸入；輸出采用指示燈模擬充電樁的使用和故障。由此可列出I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

根據(jù)表1可以輕松地畫出PLC的外部接線圖，分析系統(tǒng)的具體工作過(guò)程：PLC以循環(huán)掃描方式工作，當(dāng)按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕后，運(yùn)行指示燈亮起，系統(tǒng)開始運(yùn)行，此時(shí)可以選擇任意充電樁進(jìn)行充電；然后進(jìn)入時(shí)間設(shè)置界面，用戶可以根據(jù)所需充電時(shí)間合理設(shè)置數(shù)值，并可通過(guò)時(shí)間加減按鈕或在觸摸屏上直接點(diǎn)擊時(shí)間進(jìn)行設(shè)定；設(shè)置完成后相應(yīng)充電樁會(huì)彈出二維碼要求用戶掃碼付款，觸摸屏上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)付費(fèi)確認(rèn)按鈕，點(diǎn)擊確認(rèn)完成付款；隨即所選擇充電樁接通電源，立即進(jìn)入充電狀態(tài)；按下查看運(yùn)行按鈕或在觸摸屏和組態(tài)上點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)，可以監(jiān)控剩余幾個(gè)充電樁可用以及正在運(yùn)行的充電樁剩余充電時(shí)間；若某個(gè)充電樁發(fā)生故障，則之前正在運(yùn)行的相應(yīng)充電樁立即停止充電，故障指示燈亮起發(fā)出燈光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)顯示充電時(shí)間為0；當(dāng)充電樁需要維護(hù)時(shí)，可按下系統(tǒng)停止按鈕，停止指示燈亮，運(yùn)行指示燈滅，系統(tǒng)停止運(yùn)行后方可斷開電源。

2.2 觸摸屏選擇

觸摸屏實(shí)質(zhì)為一種常見的觸控面板，它是直觀感應(yīng)式的液晶顯示操作設(shè)備，可以接收觸摸輸入信號(hào)，平常人們使用的手機(jī)屏幕也是觸控面板，從而得以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。觸摸屏種類很多，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求來(lái)選用不同型號(hào)。本設(shè)計(jì)選用SIMATIC觸摸式面板，其通信接口采用RS485協(xié)議，以太網(wǎng)10/100 M接口，具有8路繼電器輸出和4路100 K高速脈沖輸出，通過(guò)WINCC FLEXIBLE 2005進(jìn)行組態(tài)。

3 軟件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)部分程序

系統(tǒng)軟件部分采用STEP 7-MicroWIN V4.0軟件進(jìn)行編程，充電流程大體是：系統(tǒng)上電后開始運(yùn)行程序，此時(shí)各充電樁初始化至充電時(shí)間均為0，當(dāng)接收到充電樁選擇指令后，相應(yīng)的充電指示程序運(yùn)行。比如選擇一號(hào)充電樁時(shí)，一號(hào)充電流程由常開變?yōu)槌ｉ]，等待進(jìn)入下一步驟的時(shí)間設(shè)定。輸入充電時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算需要支付的金額，當(dāng)系統(tǒng)收款成功后，對(duì)應(yīng)充電樁開始充電至充電時(shí)間結(jié)束。

具體充電控制程序分為啟動(dòng)與停止、時(shí)間限制、充電流程、充電計(jì)時(shí)及金額計(jì)算和剩余充電樁計(jì)算五個(gè)模塊。

啟動(dòng)與停止程序如圖2所示，它控制著整個(gè)系統(tǒng)電源的通斷。將I0.0定義為系統(tǒng)啟動(dòng)，I0.7定義為系統(tǒng)停止，Q0.0為運(yùn)行指示，Q0.1為停止指示，I0.0為常開觸點(diǎn)，I0.7為常閉觸點(diǎn)，在系統(tǒng)啟動(dòng)程序中串聯(lián)一個(gè)常閉觸點(diǎn)M0.7，方便后續(xù)連接組態(tài)；在系統(tǒng)啟動(dòng)加入運(yùn)行指示自鎖程序，使程序運(yùn)行時(shí)按下啟動(dòng)I0.0后，常開得電變?yōu)槌ｉ]，運(yùn)行指示燈保持常亮；按下I0.7時(shí)常閉變?yōu)槌ｉ_，運(yùn)行指示燈熄滅；Q0.0在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)常亮，Q0.1在系統(tǒng)停止時(shí)才亮。

圖2 啟動(dòng)/停止程序

時(shí)間限制模塊：限制輸入時(shí)間大小，當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)小于0或者大于6000時(shí)，傳送指令將存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)清零，避免使用時(shí)輸入的數(shù)值過(guò)小無(wú)法充電或數(shù)值過(guò)大給用戶帶來(lái)?yè)p失。

充電流程模塊：4個(gè)充電樁的充電流程相同，在充電運(yùn)行前加入故障斷電程序，以確保有故障輸入時(shí)充電樁能立即停止充電。選擇充電樁后，進(jìn)入時(shí)間設(shè)置和確認(rèn)流程，時(shí)間確認(rèn)以后，為了實(shí)現(xiàn)模擬用戶掃碼步驟，需加入一個(gè)組態(tài)地址。

充電計(jì)時(shí)及金額計(jì)算模塊：系統(tǒng)中的4個(gè)充電樁的計(jì)時(shí)模塊相同，用戶輸入充電時(shí)間與金額成正比，充電樁運(yùn)行分別連接一個(gè)減法指令，在指令前端連接所輸入數(shù)值，該數(shù)值為用戶在上一步驟中輸入的充電時(shí)間，運(yùn)用減法指令運(yùn)算后輸出剩余時(shí)間。

剩余充電樁計(jì)算模塊：當(dāng)對(duì)應(yīng)充電樁運(yùn)行時(shí)輸出相應(yīng)數(shù)值，用以計(jì)算剩余可使用充電樁個(gè)數(shù)，并在觸摸屏上顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)在這一模塊是將一至四號(hào)運(yùn)行分別連接四個(gè)不同的位，如圖3所示，用M6.0～M6.3表示。此后再輸入一個(gè)移動(dòng)指令，將MB6計(jì)算后輸出剩余位對(duì)應(yīng)的值傳送到MB7。MB7是一個(gè)顯示充電樁剩余個(gè)數(shù)的觸摸屏地址。該計(jì)算程序中，四個(gè)充電樁的使用情況用8421碼表示，這樣四個(gè)充電樁的組合使用MB6就有可能接收到16個(gè)信號(hào)，例如當(dāng)有三個(gè)充電樁正在使用時(shí)，MB6接收到的信號(hào)可能為1000、0100、0010、0001，為反碼輸出，則計(jì)算值為7、11、13、14，MB6輸出1。其余組合使用情況分析類似。

圖3 剩余充電樁計(jì)算程序

3.2 上位機(jī)組態(tài)

組態(tài)王是一款組態(tài)開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，用來(lái)監(jiān)控PLC等設(shè)備。本設(shè)計(jì)在組態(tài)王工程中共創(chuàng)建7個(gè)畫面，分別為一、二、三、四號(hào)充電樁設(shè)置、充電樁選擇、系統(tǒng)入口、插口模擬。“系統(tǒng)入口”畫面進(jìn)入后為充電系統(tǒng)首頁(yè)，該畫面設(shè)置了運(yùn)行狀態(tài)指示燈、充電樁可用個(gè)數(shù)，“系統(tǒng)啟動(dòng)”“系統(tǒng)停止”“進(jìn)入系統(tǒng)”“退出系統(tǒng)”四個(gè)按鈕；各個(gè)畫面邏輯關(guān)聯(lián)，組態(tài)王畫面與觸摸屏基本一致；組態(tài)王功能強(qiáng)大，便于模擬設(shè)備運(yùn)行，因此本設(shè)計(jì)在組態(tài)王工程中加入了插口模擬畫面，目的是為了模擬解決用戶隨機(jī)使用插頭時(shí)不知道該掃哪個(gè)二維碼的問(wèn)題[3]。組態(tài)王的運(yùn)行畫面與實(shí)物運(yùn)行效果相同，實(shí)際操控時(shí)使用組態(tài)王、觸摸屏、按鈕三種方法所實(shí)現(xiàn)的功能一致，由于故障是模擬故障信號(hào)源輸入，模擬充電樁故障時(shí)只能用按鈕，但組態(tài)王上也會(huì)顯示故障[4]。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

（1）按鈕輸入測(cè)試：分別按下代表充電樁運(yùn)行控制和模擬故障發(fā)生按鈕，觀察相應(yīng)指令下所表示的指示燈是否亮起，再按下時(shí)間增減的按鈕，看系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)定時(shí)充電；最后測(cè)試系統(tǒng)故障判斷功能。

（2）觸摸屏操作測(cè)試：用24 V直流電源給觸摸屏供電，將觸摸屏連接到電腦上通電啟動(dòng)，無(wú)需任何操作，等待觸摸屏自動(dòng)進(jìn)入項(xiàng)目的操作界面，觸摸屏可監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，按充電流程逐一測(cè)試；觀察是否能正確控制系統(tǒng)充電樁的運(yùn)行，打開STEP7-MicroWIN對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。

（3）組態(tài)控制調(diào)試：首先進(jìn)入工程畫面，單擊菜單“文件”，選擇“全部存”，再單擊右鍵選擇“切換到View”進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。在“系統(tǒng)入口”畫面中選擇“進(jìn)入系統(tǒng)”，再選擇充電樁進(jìn)行充電模擬，查看所進(jìn)行的操作與實(shí)物動(dòng)作是否相同，操作畫面是否流暢，二維碼的彈出時(shí)間是否合適，各畫面是否能通過(guò)按鈕切換，是否存在誤動(dòng)作等。

值得注意的是，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)觸摸屏不能同步操控組態(tài)運(yùn)行，因?yàn)榻M態(tài)作為PC端上位機(jī)，優(yōu)先級(jí)高于觸摸屏，組態(tài)可以控制觸摸屏，但觸摸屏不能控制組態(tài)[6]。還有運(yùn)行時(shí)組態(tài)畫面不夠穩(wěn)定，其主要原因是PLC與PC端使用PPI通訊線連接時(shí)，通信存在延遲，導(dǎo)致組態(tài)反應(yīng)速度過(guò)慢。后將PPI通訊線改為網(wǎng)線就解決了這一問(wèn)題[7]。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最初預(yù)定的功能，操作簡(jiǎn)單，可在各種場(chǎng)所投入使用，方便電動(dòng)車的集中管理，減少潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，改進(jìn)空間大，還可增加定位服務(wù)，方便附近用戶尋找最近的可用充電樁。相信通過(guò)完善充電樁后臺(tái)控制及管理系統(tǒng)，定能以它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)中脫穎而出。