基于PLC 的水下供電單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王俊炎，張 偉

1. 海軍裝備部武漢局駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，湖北 武漢 430205；

2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下無人航行器已經(jīng)被廣泛投入到水下各種場(chǎng)合。然而現(xiàn)有水下無人航行器續(xù)航較短，直接制約了其水下作業(yè)范圍。此外，水下無人航行器作業(yè)時(shí)，面臨著多變且復(fù)雜的環(huán)境影響和考驗(yàn)，增加其續(xù)航能力顯得尤為重要［1-2］。

為了解決水下設(shè)備航程短的問題，需要配備能及時(shí)供電的備用電源。宋之勇等［3］提出了將柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，研究表明明顯提高了電力應(yīng)急供電保障地快速反應(yīng)能力。李峰［4］采用鉛酸電池作為備用電源滿足風(fēng)力發(fā)電組的變槳要求，有利于降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率。隨著備用電源領(lǐng)域的發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)和鉛酸電池等傳統(tǒng)備用電源逐漸顯示出其弊端，如噪聲大、故障率高且不能用于水下環(huán)境中。然而，氫-氧燃料電池因其具有低噪音、無污染和輸出電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)被逐步應(yīng)用于備用電源領(lǐng)域［5-7］。荊婷婷等［8］研究了將氫-氧燃料電池作為備用電源應(yīng)用于醫(yī)院和銀行等特殊部門，保證了其穩(wěn)定電能輸出減少經(jīng)濟(jì)損失。劉國(guó)楨［9］提出了氫-氧燃料電池在氯堿廠也能很好的作為緊急備用電源。隨著國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展，利用氫-氧燃料電池替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)和鋰電池等作為備用電源有著更佳的能量轉(zhuǎn)化率以此提供穩(wěn)定頻率的電能［10-12］。氫-氧燃料電池作為備用電源大多應(yīng)用于陸地上，用于水下的研究寥寥無幾，并且氫氣的獲取、系統(tǒng)的安全檢測(cè)和供電的自動(dòng)化成為難題。隨著可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的發(fā)展，它已成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化和集成化生產(chǎn)的有效工具，在復(fù)雜的水下環(huán)境中，PLC 控制器的穩(wěn)定性和抗干擾能力具有較大的優(yōu)勢(shì)［13-14］。

為了解決水下無人航行器供電困難問題，本文設(shè)計(jì)一種無污染、體積小且供電穩(wěn)定的水下供電單元。運(yùn)用博途TIA V16 編寫控制程序，可編程控制器作為控制核心與硬件設(shè)備、采集裝置共同組成水下供電系統(tǒng)。采用比例-積分-微分控制器（proportion integration differentiation，PID）控制器控制氣體流量和冷卻水，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體流量的精確控制，提高了冷卻水自動(dòng)調(diào)速的精度，通過PLC 控制器與觸摸屏監(jiān)控界面相結(jié)合，可使水下供電單元控制系統(tǒng)操作更加便捷，提高了水下供電單元的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了供電單元控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。首次將氫-氧燃料電池作為備用電源應(yīng)用于水下，為后續(xù)水下備用電源研究提供參考。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

水下供電單元系統(tǒng)主要包括鋁動(dòng)力系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)3 個(gè)部分，根據(jù)系統(tǒng)工藝流程與控制需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制流程如圖1 所示。

圖1 水下供電系統(tǒng)控制流程圖Fig.1 Control flow chart of underwater power supply system

1.1 鋁動(dòng)力系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)處于靜默模式下，當(dāng)需要給水下設(shè)備供電時(shí)開啟自動(dòng)模式，開啟儲(chǔ)能裝置進(jìn)行投料、加水和開閥的工作，以保證鋁動(dòng)力系統(tǒng)的反應(yīng)釜內(nèi)能進(jìn)行初始反應(yīng)。進(jìn)水閥開啟，通過反應(yīng)釜頂部超聲波液位計(jì)可以無接觸檢測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)部實(shí)際液位，避免液位過高占據(jù)反應(yīng)空間。然后加料閥開啟，鋁基合金與水在反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)，定時(shí)20 s 后加料閥關(guān)閉。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)會(huì)使反應(yīng)釜內(nèi)溫度升高，當(dāng)溫度超過70 ℃，抽水泵和冷卻水閥開啟，以降低反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度低于55 ℃時(shí)抽水泵和冷卻水閥關(guān)閉。在反應(yīng)最劇烈的時(shí)候，反應(yīng)釜內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)壓力過高的情況，此時(shí)電磁閥開啟將氫氣傳送到備用儲(chǔ)氫罐中以降低反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，當(dāng)壓力低于0.9 MPa 時(shí)電磁閥關(guān)閉。通過壓力傳感器采集輸氫管路和反應(yīng)釜內(nèi)部壓力值，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)部壓力小于輸氫管路壓力時(shí)，氣體增壓泵開啟以保證氫氣的傳輸。

1.2 燃料電池系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)由儲(chǔ)能裝置、氫-氧燃料電池和逆變器組成。在穩(wěn)定供氫之前，使用儲(chǔ)能裝置給控制單元供電，從而控制鋁動(dòng)力系統(tǒng)閥門的開啟和供氧系統(tǒng)閥門的開啟，在穩(wěn)定供氫之后，關(guān)閉儲(chǔ)能裝置，由于燃料電池內(nèi)需要保持一定的溫度和濕度［15］，氫氣需要經(jīng)減壓閥穩(wěn)壓后滿足燃料電池的流量要求時(shí)開始供給燃料電池，氧氣需要經(jīng)過過濾加濕處理后供給燃料電池，當(dāng)氫氣和氧氣都穩(wěn)定供給燃料電池時(shí)，使用燃料電池供給電能。燃料電池輸出的直流電經(jīng)逆變器后變?yōu)榻涣麟娤蜇?fù)載供電，以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間供電。

1.3 供氧系統(tǒng)

氧氣供給方式有兩種，一種是在離水面較近時(shí)直接使用過濾過的空氣，另一種是在離水面較遠(yuǎn)時(shí)使用氧氣罐，為此專門設(shè)計(jì)了一套可以自由彈出收回的應(yīng)急浮標(biāo)裝置。通過深度檢測(cè)儀內(nèi)部的壓力傳感器檢測(cè)設(shè)備所處深度的水壓，將采集到的水壓值按1∶10的關(guān)系再轉(zhuǎn)化為深度值顯示在觸摸屏上，當(dāng)深度小于10 m時(shí)，應(yīng)急空氣浮標(biāo)通過內(nèi)部彈簧自動(dòng)彈出，靠自身充氣浮力到達(dá)水面。氧氣閥和氣體增壓泵自動(dòng)開啟，氧氣供應(yīng)來源于空氣，在水下設(shè)備完成充電后，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將應(yīng)急空氣浮標(biāo)收回。當(dāng)深度大于10 m 時(shí)，氧氣閥開啟，氧氣供應(yīng)來源于氧氣罐，由此實(shí)現(xiàn)了在水下環(huán)境中安全穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)。

2 系統(tǒng)硬件選型

2.1 系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)的硬件由可編程邏輯控制器、傳感器類、閥類、泵機(jī)組、鋁動(dòng)力系統(tǒng)、氫-氧燃料電池和儲(chǔ)能裝置等硬件組成。電磁閥和泵機(jī)組等在滿足系統(tǒng)控制要求保證系統(tǒng)安全的前提下，盡量選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且體積較小的型號(hào)，系統(tǒng)硬件配置如圖2 所示。水下供電單元控制系統(tǒng)主要通過西門子PLC 的CPU 模塊，連接以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，采集控制系統(tǒng)中3 個(gè)開度調(diào)節(jié)閥、9 個(gè)電磁閥、抽水泵和氣體增壓泵的相關(guān)參數(shù)及狀態(tài)，各傳感器收集數(shù)字信號(hào)，將收集到的信號(hào)傳送到PLC 控制器進(jìn)行處理解析，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各電磁閥、電動(dòng)閥以及各泵機(jī)的啟停狀態(tài)。

圖2 水下供電系統(tǒng)硬件配置框圖Fig.2 Block diagram of underwater power supply system hardware configuration

2.2 PLC 選型 和I/O 地址分配

由于水下裝備的迅速發(fā)展，對(duì)水下供電單元也有著更深更迫切的需求，為了滿足系統(tǒng)安全且易維護(hù)，該水下供電單元控制系統(tǒng)選用西門子新一代S7-1500PLC。相較于傳統(tǒng)的S7-300/400，S7-1500 在響應(yīng)速度、功能和組態(tài)效率上更有優(yōu)勢(shì)，其處理器性能更強(qiáng)大以至于處理速度和響應(yīng)時(shí)間更短，便于在系統(tǒng)故障時(shí)更快速地響應(yīng)。在外觀上增加了LED 顯示功能，方便用戶及時(shí)查看系統(tǒng)故障信息，由于S7-1500PLC 無縫集成到博途軟件中，其組態(tài)效率更高。PLC 中CPU 選用的型號(hào)是1511-1PN，數(shù)字量和模擬量采用ET200SP，通過以太網(wǎng)使1500PLC 與ET200SP 進(jìn)行通訊，供電單元控制系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)為5，輸出點(diǎn)數(shù)為16，輸入量包含按鈕和切換裝置等，輸出量包含各類安全故障、電磁閥和指示燈等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的PLC 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用TIA V16 編程，用于S7-1200/1500 系列PLC 的軟件開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)模塊化編程，增強(qiáng)了程序的可讀性。水下供電單元控制系統(tǒng)PLC的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、故障報(bào)警、模擬量處理和模式選擇等。供電單元控制系統(tǒng)主程序調(diào)用各FC功能塊，運(yùn)行過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DB數(shù)據(jù)模塊中。

由于燃料電池反應(yīng)氣體中的氫氣為易燃易爆的無色氣體，而且燃料電池要在一定的溫度、濕度下才能使氫氣與氧氣完全反應(yīng)，所以必須對(duì)系統(tǒng)工作的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障，對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)程序和報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

燃料電池是由很多片單電池組成的電堆，需要特定的工作環(huán)境，而且水下設(shè)備是由燃料電池持續(xù)供給電能，所以對(duì)燃料電池的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)是尤為重要的。燃料電池內(nèi)的濕度過高會(huì)產(chǎn)生水淹現(xiàn)象，會(huì)降低電流密度，內(nèi)部溫度過高會(huì)讓質(zhì)子交換膜干燥引發(fā)故障，影響電堆的性能。利用傳感器對(duì)燃料電池的溫度和出口電壓數(shù)值進(jìn)行采集，從而監(jiān)測(cè)燃料電池的工作狀態(tài)，燃料電池監(jiān)測(cè)程序如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)燃料電池的故障程序圖Fig.3 Monitoring faults of fuel cells using ladder logic

在工作中過程反應(yīng)釜內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)溫度和壓力過高的情況，反應(yīng)釜內(nèi)溫度值利用冷凝盤管降低到55 ℃以下，內(nèi)部壓力值通過打開備用氫氣閥排出氫氣將其降低到0.9 MPa 以下，但是當(dāng)閥門故障等因素出現(xiàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫度或壓力持續(xù)增加，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)部溫度高于80 ℃或壓力高于1.2 MPa時(shí)系統(tǒng)會(huì)停止運(yùn)作，反應(yīng)釜的安全閥會(huì)彈出保證設(shè)備不被損壞。

供氫管路和供氧管路上安裝了氣體濃度檢測(cè)儀，其測(cè)量誤差在0.3%以內(nèi)。當(dāng)檢測(cè)到泄漏的氫氣和氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于設(shè)定值的0.02%和0.2%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在100 ms 內(nèi)報(bào)警并停止運(yùn)行。通過管路上的流量計(jì)采集流體的數(shù)值，可以判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)斷氣、斷水故障。當(dāng)檢測(cè)出現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況，可編程控制器會(huì)自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)作，并將故障類型寫入報(bào)警信息表，以便后續(xù)對(duì)故障進(jìn)行處理。

冷卻水調(diào)節(jié)流程如圖4 所示，PID 可以通過設(shè)定參數(shù)及反饋信息實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)，PID 輸入輸出關(guān)系式為：按被控對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制，其中Kp為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。假設(shè)采樣周期為T，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)刻為t= 0，將上式離散化后得：

U(n)為第n次采樣后PID 控制器的輸出，e(n)、e(n- 1)分別是第n次和第n- 1 次采樣時(shí)的誤差值，T為采樣周期，n為采樣序號(hào)，K1為積分常數(shù)，KD為微分系數(shù)。反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)需要保持一定的溫度才能達(dá)到最大的產(chǎn)氫速率，但是溫度過高超過反應(yīng)釜限值會(huì)對(duì)反應(yīng)釜產(chǎn)生損害，反應(yīng)釜的傳熱速率與冷凝盤管中冷卻水流速相關(guān)，采用PID調(diào)節(jié)控制變頻器改變給水泵的轉(zhuǎn)速來達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻水流速的目的，其PID 調(diào)節(jié)流程如圖4 所示。系統(tǒng)中供給燃料電池的氣體流量也是通過PID 控制調(diào)節(jié)閥開度來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)流程與冷凝水流速調(diào)節(jié)相同，不再做過多闡述。

圖4 冷卻水流速調(diào)節(jié)流程圖Fig.4 Flow chart of cooling water flow rate regulation

3.2 HMI人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

梯形圖編寫完成后需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面，監(jiān)控界面采用西門子觸摸屏，觸摸屏作為人機(jī)交互界面用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)控。本系統(tǒng)中觸摸屏的操作畫面分為兩個(gè)層次第一個(gè)層次為主界面，系統(tǒng)主界面如圖5 所示。主界面直觀顯示了整個(gè)供電單元控制系統(tǒng)設(shè)備的工作狀況及閥類和泵機(jī)的啟/停狀況和系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)情況觀察整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，還可以進(jìn)行手自動(dòng)模式的切換，若要查看系統(tǒng)更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)，則點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)或按鍵進(jìn)入運(yùn)行信息界面查看。

圖5 水下供電系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of underwater power supply system

第二層為報(bào)警界面、運(yùn)行信息界面和系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置界面。運(yùn)行信息界面上顯示了系統(tǒng)詳細(xì)的狀態(tài)信息，可在運(yùn)行信息界面下，查看到各閥類和泵機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、控制模式、各個(gè)壓力值和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間主要有儲(chǔ)能裝置、燃料電池和鋁動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，用戶可根據(jù)需要對(duì)運(yùn)行時(shí)間清零，運(yùn)行信息界面如圖6 所示。報(bào)警界面會(huì)保存故障的類型和時(shí)間以便操作人員后續(xù)對(duì)故障的處理。系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置界面可以設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間，該時(shí)間可用于觸摸屏顯示和報(bào)警界面中的報(bào)警日期和時(shí)間。

圖6 水下供電系統(tǒng)運(yùn)行信息界面Fig.6 Information interface of underwater power supply system operation

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套水下供電單元控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。供電單元系統(tǒng)利用采集裝置對(duì)系統(tǒng)中的壓力、溫度和流量等信息進(jìn)行測(cè)量，用PID 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水、氫氣和氧氣流量進(jìn)行精確的控制，并通過傳感器和程序?qū)ο到y(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)處理系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障，保證了水下供電單元的安全運(yùn)行。該供電單元系統(tǒng)適用于水下多變的環(huán)境，解決了氫-氧燃料電池作為備用電源在水下供電難和水下設(shè)備續(xù)航能源不足的問題。采用可編程控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有安全、可靠和易拓展等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，且人性化的人機(jī)交互界面方便操作人員更好的使用該控制系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)為水下設(shè)備提供了功能完備的供電系統(tǒng)，在水下自動(dòng)化供電中具有廣闊的應(yīng)用前景。