基于PLC和LabVIEW的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

基于PLC和LabVIEW的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 赟， 彭 飛， 劉志祥， 李 奇， 陳維榮*

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

針對(duì)開(kāi)展空冷燃料電池多環(huán)境變量?jī)?yōu)化研究的需要，基于西門(mén)子S7-1200系列PLC和監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)LabVIEW，構(gòu)建了空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為底層控制單元，LabVIEW監(jiān)控程序?yàn)橹鞅O(jiān)控單元，通過(guò)Modbus TCP/IP和Modbus串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信與控制交互，底層控制單元將傳感器采集的各項(xiàng)燃料電池運(yùn)行特征參數(shù)上傳、分析并記錄。在此基礎(chǔ)上，充分考慮空冷型PEMFC對(duì)時(shí)序和控制操作的敏感性要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池啟停時(shí)序控制、陽(yáng)極排氣控制和溫度控制等。此外，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)在線調(diào)整運(yùn)行參數(shù)并且圖形化的人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)顯示并記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括故障和報(bào)警信息等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行可靠，監(jiān)控性能良好，實(shí)用性強(qiáng)，能夠用于空冷自增濕型PEMFC的實(shí)驗(yàn)研究。

空冷自增濕；PEMFC；PLC；LabVIEW；測(cè)試系統(tǒng)

近年來(lái)，以空冷技術(shù)與自增濕技術(shù)相結(jié)合為特征的空冷自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其清潔、環(huán)保、高效等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。該種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極采用與空氣貫通的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需加濕水和冷卻水的復(fù)雜管理，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低以及便于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn)，因此在UPS電源、動(dòng)力電源以及無(wú)人載具等中小功率應(yīng)用場(chǎng)合中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

目前，PEMFC測(cè)試系統(tǒng)多針對(duì)功率等級(jí)較高的水冷型燃料電池[2-5]，由于水冷型PEMFC內(nèi)部陰極流道和冷卻水流道相互獨(dú)立，且參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣和氧氣需要進(jìn)行預(yù)加濕處理，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)與空冷自增濕型PEMFC迥然不同，所以針對(duì)兩者的測(cè)控系統(tǒng)也需要獨(dú)立設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)空冷型PEMFC的測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)諸文獻(xiàn)較少，胡林會(huì)等人設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易空冷型PEMFC測(cè)試系統(tǒng)[6]，但該系統(tǒng)只能根據(jù)負(fù)載功率調(diào)節(jié)H2流量和壓力，在線調(diào)節(jié)參數(shù)少，并且沒(méi)有考慮PEMFC啟停過(guò)程時(shí)序，對(duì)PEMFC的壽命和安全性未予以足夠重視，同時(shí)存在人機(jī)交互界面過(guò)于簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性和可靠性不足的問(wèn)題。

本文針對(duì)上述存在的問(wèn)題和不足，基于西門(mén)子S7-1200系列PLC和LabVIEW監(jiān)控軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了適用于空冷自增濕型PEMFC的測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合電堆設(shè)計(jì)手冊(cè)，充分考慮了空冷型PEMFC對(duì)時(shí)序和控制操作的敏感性要求，較好地實(shí)現(xiàn)了燃料電池的啟停時(shí)序控制、陽(yáng)極排氣控制、溫度控制和氫氣壓力控制，可同時(shí)在線調(diào)整陽(yáng)極排氣周期、電堆溫度和負(fù)載電流，并具有良好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)記錄機(jī)制，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

1 空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)介紹

1.1 PEMFC的工作原理[5]

PEMFC是在電催化劑作用下實(shí)現(xiàn)氫氧電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電裝置，它通過(guò)質(zhì)子交換膜實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳遞發(fā)電，H2在陽(yáng)極分解為H+和e－，O2在陰極得到e－，并與經(jīng)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極的H+結(jié)合生成水。涉及的主要電極反應(yīng)如下：

1.2 空冷自增濕型PEMFC系統(tǒng)

典型的空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)分為3部分：PEMFC電堆；為PEMFC提供氧化劑和散熱能力的風(fēng)扇；H2供給子系統(tǒng)。相比水冷型PEMFC系統(tǒng)，空冷型燃料電池系統(tǒng)省略了冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)和加濕水循環(huán)子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)少，因而容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊耦合，便于系統(tǒng)集成。

圖1 空冷自增濕PEMFC系統(tǒng)

2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)空冷型PEMFC的測(cè)控需要，本PEMFC測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分由PLC底層控制單元、信號(hào)采集和處理單元、Lab-VIEW監(jiān)控單元、輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元和電子負(fù)載單元等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各部分的主要功能為：

圖2 空冷自增濕型PEMFC測(cè)試系統(tǒng)

(1)PLC底層控制單元。S7-1200系列PLC是西門(mén)子公司近兩年推出的適用于簡(jiǎn)單離散自動(dòng)化系統(tǒng)和獨(dú)立自動(dòng)化系統(tǒng)的小型控制器模塊。其CPU處理速度可達(dá)0.1 μs/基本指令，提供高達(dá)50 kB的共用工作內(nèi)存、2 MB的集成裝載內(nèi)存和2 kB的掉電保持內(nèi)存，支持最大284點(diǎn)的數(shù)字量I/O和51點(diǎn)模擬量I/O，同時(shí)帶有3個(gè)100 kHz高速計(jì)數(shù)器和2個(gè)100 kHz高速脈沖輸出，集成PROFINET以太網(wǎng)接口，支持多種工業(yè)通信協(xié)議，并自帶閉環(huán)回路控制的PID功能，最多支持16個(gè)PID控制回路。根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)需求和監(jiān)控性能需求，選擇西門(mén)子S7-1214DC/DC/DC型作為系統(tǒng)底層控制單元的MCU。

(2)信號(hào)采集和處理單元。根據(jù)影響PEMFC性能的特征參數(shù)和實(shí)驗(yàn)需求，測(cè)試系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的物理量包括PEMFC工作溫度、陽(yáng)極入口壓力、輸出電壓和電流、PEMFC工作環(huán)境的溫濕度等。傳感器將采集的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號(hào)輸出。本文使用西門(mén)子SM1231模擬量輸入模塊，將傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送至PLC控制器。SM1231模擬量輸入模塊是集成單一12位的A/D轉(zhuǎn)換器和8選1的模擬通道選擇器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為625 μs，精度為±0.01%FSR(FSR：滿量程)，能夠滿足系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換精度的要求。

(3)LabVIEW監(jiān)控單元?；贚abVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了人機(jī)界面主控單元，實(shí)現(xiàn)了PEMFC運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄以及運(yùn)行參數(shù)的在線調(diào)整。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，通過(guò)編程可以借助內(nèi)置的SVE引擎實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需的Modbus通信機(jī)制，分別通過(guò)Ethernet和RS-232接口實(shí)現(xiàn)同PLC、電子負(fù)載和無(wú)紙記錄儀等數(shù)控單元的數(shù)據(jù)交互。

(4)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元。輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元包括風(fēng)扇、負(fù)載開(kāi)關(guān)、H2進(jìn)氣電磁閥、H2排氣電磁閥和N2進(jìn)氣電磁閥。由于S7-1214的I/O電平為24 V，直接帶載能力最大只有500 mA，不足以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥和負(fù)載開(kāi)關(guān)，因此需要中間繼電器驅(qū)動(dòng)各類電磁閥和開(kāi)關(guān)設(shè)備。另外，系統(tǒng)采用S7-1214內(nèi)置的PWM功能實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無(wú)極調(diào)速。

(5)電子負(fù)載單元。本系統(tǒng)使用艾德克斯IT8830B電子負(fù)載作為燃料電池的負(fù)載。IT8830B型電子負(fù)載額定輸入電壓0～500 V，輸入電流0～200 A，輸入功率0～10 kW，電壓電流分辨率高達(dá)1 mV/1 mA，可提供CC、CV、CW、CR和CZ五種工作模式，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)RS232、GPIB和USB接口，可完全滿足燃料電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的需求。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件控制流程

PLC是整個(gè)底層控制單元的控制核心，通過(guò)與上位機(jī)LabVIEW監(jiān)控程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程控制。PLC上電啟動(dòng)后，直接進(jìn)入初始化模式，復(fù)位所有標(biāo)志位、控制位、警告位和報(bào)警位，復(fù)位完成，初始化結(jié)束，進(jìn)入空閑態(tài)(Standby)。執(zhí)行空閑態(tài)的作用是保證各輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉，并檢測(cè)燃料電池的各項(xiàng)參數(shù)是否正常，判斷環(huán)境條件是否適合開(kāi)機(jī)，如果條件異常，則置位相應(yīng)警告或報(bào)警位，通知上位機(jī)程序禁止開(kāi)機(jī)。初始化和空閑態(tài)的流程圖如圖3(a)和(b)所示。

若系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常且環(huán)境條件滿足PEMFC工作條件，PLC等待上位機(jī)下發(fā)開(kāi)機(jī)指令。接收到開(kāi)機(jī)指令后，燃料電池進(jìn)入啟動(dòng)流程。由于空冷自增濕PEMFC的陰極敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，在電堆停止工作后約半個(gè)小時(shí)，空氣就會(huì)透過(guò)質(zhì)子交換膜充滿陽(yáng)極流道，為了減小啟動(dòng)時(shí)陽(yáng)極混合H2和空氣引起的碳腐蝕電流，降低對(duì)燃料電池的損害，電堆啟動(dòng)時(shí)需進(jìn)行一次初始排氣，并有較為嚴(yán)格的時(shí)序要求。具體啟動(dòng)流程見(jiàn)圖4。

圖3 系統(tǒng)初始化和空閑態(tài)流程圖

圖4 系統(tǒng)啟動(dòng)流程圖

啟動(dòng)完成后，進(jìn)入運(yùn)行階段。電堆運(yùn)行過(guò)程中，可在線設(shè)定負(fù)載電流、電堆工作溫度和陽(yáng)極排氣周期等關(guān)鍵參數(shù)。電堆運(yùn)行一段時(shí)間后，陰極內(nèi)產(chǎn)生的水能通過(guò)質(zhì)子交換膜滲透到陽(yáng)極，造成陽(yáng)極電極水淹，此時(shí)需打開(kāi)H2排氣閥，利用氣流將陽(yáng)極聚集的水吹出電堆，是為陽(yáng)極排氣周期。溫度控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不斷檢測(cè)PEMFC工作溫度，并和設(shè)定溫度比較，軟件設(shè)計(jì)中基于PID控制方法，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，維持電堆工作在溫度設(shè)定點(diǎn)。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，輔助監(jiān)控程序一直工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、電流、溫度、氫氣壓力、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度是否正常，并將系統(tǒng)異常情況分為警告和報(bào)警兩級(jí)：(1)如果系統(tǒng)參數(shù)超出設(shè)定的警告值，則延時(shí)停機(jī)，延時(shí)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)正常，則控制器不做任何響應(yīng)，并復(fù)位延時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行；如果超過(guò)延時(shí)時(shí)間系統(tǒng)參數(shù)沒(méi)有恢復(fù)正常，則執(zhí)行停機(jī)程序。(2)如果系統(tǒng)參數(shù)超出設(shè)定報(bào)警值，證明系統(tǒng)存在嚴(yán)重故障，系統(tǒng)需立即執(zhí)行停機(jī)程序，保護(hù)PEMFC電堆不受損壞。系統(tǒng)運(yùn)行階段的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)流程圖

當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)完成，運(yùn)行過(guò)程結(jié)束，上位機(jī)下發(fā)停機(jī)指令，PLC執(zhí)行停機(jī)流程，關(guān)閉所有輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，停機(jī)后自動(dòng)執(zhí)行N2吹掃程序，以減小殘余氫氣反應(yīng)生成的腐蝕電流的影響，停機(jī)和N2吹掃流程圖如圖6(a)和(b)所示。

圖6 系統(tǒng)停機(jī)和N2吹掃流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)主控單元應(yīng)用LabVIEW DSC模塊的I/O Server和PLC標(biāo)準(zhǔn)Modbus TCP/IP通訊協(xié)議，以共享變量的形式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC的通信，完成數(shù)據(jù)交互[7-9]。主控單元軟件層實(shí)現(xiàn)的主要功能是數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、報(bào)警信息顯示以及各輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)顯示。如圖7(a)所示，系統(tǒng)人機(jī)界面主界面顯示內(nèi)容包括：系統(tǒng)參數(shù)：PEMFC運(yùn)行溫度、入口氫氣壓力，輸出電壓、電流和功率，環(huán)境溫度和濕度，風(fēng)扇的占空比；PEMFC工作溫度范圍：最大、最小以及最佳工作溫度值；系統(tǒng)診斷信息：顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)報(bào)警信息(藍(lán)色標(biāo)記為警告信息、紅色標(biāo)記為報(bào)警信息)；操作鍵：?jiǎn)?dòng)、停止、關(guān)機(jī)和程序退出鍵。如果想觀察系統(tǒng)各參數(shù)變化趨勢(shì)，可直接在Trend Viewer子界面中觀察。此外，Trend Viewer子界面中還記錄并顯示了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、PEMFC當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間和PEMFC自第一次啟動(dòng)開(kāi)始的總運(yùn)行時(shí)間，可為以后燃料電池耐久性實(shí)驗(yàn)分析提供依據(jù)，具體界面見(jiàn)圖7(b)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置在Maintenance子界面中實(shí)現(xiàn)，可完成溫度控制的PID參數(shù)整定、PEMFC溫度設(shè)定、負(fù)載電流設(shè)定和陽(yáng)極排氣周期設(shè)定，具體界面如圖7(c)。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用BALLARD公司的一款1 kW空冷型燃料電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的性能。

為保證充足的空氣供給量，風(fēng)扇最小占空比限定為8.5%。實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境濕度為45%～50%，設(shè)置入口氫氣壓力為0.036 MPa，PEMFC陽(yáng)極排氣間隔為t=2 300/電流值(s)，每次排氣0.5 s。電堆輸出電流從15 A開(kāi)始，以5 A的幅度遞增，一直到45 A。溫度控制中不同電流下PEMFC工作溫度設(shè)定點(diǎn)參考BALLARD提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的建議值。實(shí)驗(yàn)得到的該電池堆輸出電壓、電流曲線如圖8所示，溫度控制響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖8 電堆輸出電壓、電流曲線

圖9 電堆溫度控制響應(yīng)曲線

從圖8可以看出，對(duì)應(yīng)不同負(fù)載電流，燃料電池輸出電壓、電流穩(wěn)定，證明測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)各參數(shù)控制良好。從圖9可知，考慮到電堆自身溫度響應(yīng)的延遲效應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)控制溫度響應(yīng)較快，在1～2 min內(nèi)即可收斂至目標(biāo)溫度，穩(wěn)態(tài)誤差±0.5℃，設(shè)計(jì)的PID控制參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。15和20 A時(shí)候，電堆溫度沒(méi)有達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)，這是因?yàn)榈碗娏鲿r(shí)，電堆發(fā)熱量較少，風(fēng)扇最小占空比設(shè)置過(guò)大而造成電堆過(guò)量散熱，將風(fēng)扇最小占空比減小至8.0%，這一現(xiàn)象消失，因而在實(shí)際電堆集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮實(shí)際的最小負(fù)荷需求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池的測(cè)試系統(tǒng)，可以根據(jù)需求編程設(shè)定燃料電池入口氫氣壓力、陽(yáng)極排氣周期和運(yùn)行溫度目標(biāo)值等關(guān)鍵參數(shù)，并且良好的人機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示并記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，方便實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)控制策略制定。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果理想，設(shè)計(jì)的PID控制策略能夠較好的跟蹤上述參數(shù)的變化，為空冷型PEMFC的機(jī)理研究和控制策略的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了平臺(tái)基礎(chǔ)。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(51177138，21106079)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20100184110015)、鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2012J012-D)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120184120011)、四川省國(guó)際科技合作與交流研究計(jì)劃 (2012HH0007)、高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(SWJTU12CX029)等科技項(xiàng)目給予的資金支持。

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Design of fuel cell test system based on PLC and LabVIEW

For the research requirement of air-cooled and self-humidifying proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)in different environments,a fuel cell test system based on Siemens S7-1200 series PLC and monitoring software platform LabVIEW was designed and reported.The PLC and LabVIEW were used as underlying control unit and main monitoring unit, respectively.The data communication between control equipments was realized by Modbus TCP/IP and Modbus Serial protocol.The operating parameters of the fuel cell collected by the sensors were uploaded,analyzed and recorded through the underlying control unit.On this basis,by fully considering the sensitivity requirements of timing and control for air-cooled PEMFC,timing control of start and shutdown,the anode exhaust gas control and temperature control were achieved.In addition,the system could adjust online operating parameters according to the actual operating status and graphical interactive interface could display and record the system status (including fault and alarm information etc.)in real time.The experiment demonstrates that the system had reliable operation, excellent control effect and high practicability and could be applied to the experimental research of air-cooled self-humidifying PEMFC.

air-cooled self-humidifying;PEMFC;PLC;LabVIEW;test system

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0575-05

2015-08-23

彭赟(1989—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)槿剂想姵丶夹g(shù)研究與應(yīng)用。