高壓電容器充放電參數(shù)采集裝置設(shè)計(jì)

費(fèi)曉峰

（日新電機(jī)（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

目前一些高壓電容器在放電時(shí)可以產(chǎn)生峰值功率高達(dá)100 MW 的高功率微波，這種微波含有極高的能量，在醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。例如，醫(yī)療領(lǐng)域的前沿學(xué)科——生物醫(yī)學(xué)電磁學(xué)，就是利用高壓電容器放電產(chǎn)生的電磁場診斷和治療各種疾病。高壓電容器在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要做到快速充電，更重要的是靈活、精準(zhǔn)地控制放電，確保電容器的安全使用。在這一背景下，設(shè)計(jì)一種高壓電容器充放電參數(shù)采集與控制裝置具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 高壓電容器充放電參數(shù)采集裝置的設(shè)計(jì)思路

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本裝置主要用于高壓電容器充放電參數(shù)的采集，所得數(shù)據(jù)經(jīng)過后續(xù)的處理、分析后，計(jì)算機(jī)可以智能評(píng)估高壓電容器的運(yùn)行狀態(tài)，并將實(shí)測的電壓、電流值與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比，從而為下一步充放電的自動(dòng)調(diào)控提供依據(jù)。該參數(shù)采集裝置主要由3 部分組成，分別是人機(jī)交互觸摸屏、控制元件PLC 及前端電信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 裝置設(shè)計(jì)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(shù)人員可以通過上位機(jī)的人機(jī)交互界面，自定義充電電壓值，設(shè)定充電時(shí)間，然后下達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)放電時(shí)間、放電次數(shù)的自動(dòng)控制。

1.2 采集監(jiān)控設(shè)備的選擇

該裝置的采集監(jiān)控設(shè)備分為2 部分。其一是前端傳感器。其作用是實(shí)時(shí)獲取高壓電容器組的運(yùn)行參數(shù)。如果選擇電流傳感器，則主要采集電容器組的電流信號(hào)。其二是上位機(jī)觸摸屏。由于采集到的電流信號(hào)無法直觀地展示電容器的運(yùn)行情況，因此需要借助上位機(jī)觸摸屏將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成虛擬信號(hào)，并且通過觸摸屏直觀地展示充放電變化曲線。這樣一來，設(shè)備管理人員就能通過觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)充放電過程；另外，設(shè)備管理人員還可以根據(jù)高壓電容器的出廠設(shè)置、運(yùn)行環(huán)境等，設(shè)定一個(gè)安全閾值。如果采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出了安全閾值的范圍，則該裝置還會(huì)自動(dòng)進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，提醒設(shè)備管理人員及時(shí)處理故障。

1.3 儲(chǔ)能電容器的選擇

科學(xué)選擇儲(chǔ)能電容器對(duì)提高充放電數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有一定幫助。對(duì)于獨(dú)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(diǎn)。因此在實(shí)際的電力系統(tǒng)建設(shè)中，通常會(huì)選擇將多個(gè)電容器串并聯(lián)的方式，組成一個(gè)具有一定規(guī)模的電容器組，從而達(dá)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(chǔ)能電容器組的穩(wěn)定運(yùn)行，在電容器的選型上應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：一是同一電容器組中串并聯(lián)的電容器，盡量選擇相同型號(hào)，這樣可以提高相互之間的兼容性；二是連接電容器的導(dǎo)線盡量選擇過流能力較強(qiáng)的粗導(dǎo)線，通過增大導(dǎo)體橫截面積來降低電感應(yīng)，避免電容器組在頻繁的充放電后出現(xiàn)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(yè)微處理器，可通過編程語言完成多種控制功能。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)采集裝置的設(shè)計(jì)中，出于安裝成本、運(yùn)行環(huán)境等方面的考慮，本文選擇了整體式PLC。這種PLC 的主要特點(diǎn)是將多個(gè)功能模塊及其連接電路均封裝在一個(gè)密閉空間內(nèi)，形成微型主機(jī)。利用主機(jī)的USB 接口可以實(shí)現(xiàn)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(dāng)于為內(nèi)部PLC 和電路提供了保護(hù)，因此即便是在惡劣環(huán)境下也能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 西門子S7-200CN 型PLC 的技術(shù)規(guī)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(shù)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(nèi)置2 個(gè)通信接口，4 個(gè)中斷輸入，以及2 個(gè)模擬量I/O 口。最大可擴(kuò)展的模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為38，可直接連接的擴(kuò)展模塊數(shù)為7，程序存儲(chǔ)器最大容量16384B。從結(jié)構(gòu)上來看，主要包括CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出單元等，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 西門子S7-200CN 型PLC 的結(jié)構(gòu)組成

在電容器的充放電參數(shù)采集中，前端裝置采集到的信號(hào)經(jīng)過輸入接口傳入到PLC 中，經(jīng)過一系列的變換和處理后，再由輸出接口發(fā)送控制信號(hào)。這些信號(hào)、指令經(jīng)通信單元到達(dá)前端執(zhí)行器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電容器充放電的自動(dòng)化控制。

2.2 西門子S7-200CN 型PLC 的工作方式

PLC 通過周期循環(huán)掃描的工作方式運(yùn)行。正常上電后，PLC 有2 種工作狀態(tài)，分別是RUN（運(yùn)行）狀態(tài)、STOP（停止）狀態(tài)。如果用戶想要重新設(shè)置PLC 的功能，或者編輯、下達(dá)一些控制指令，需要手動(dòng)調(diào)整PLC的工作狀態(tài)為“STOP”，在設(shè)置完畢后再將工作狀態(tài)切換至“RUN”。在“RUN”狀態(tài)下，PLC 以周期循環(huán)掃描的方式，運(yùn)行用戶編寫的程序或者下達(dá)的指令，從而確保既定控制功能的順利實(shí)現(xiàn)。PLC 在2 種狀態(tài)下的周期循環(huán)掃描流程如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知。PLC 的“RUN”工作狀態(tài)實(shí)際上包含了“STOP”狀態(tài)，因此本文只簡單分析“RUN”狀態(tài)的循環(huán)掃描工作方式。PLC 成功上電以后，首先進(jìn)行內(nèi)部處理，主要包括進(jìn)行I/O 口的復(fù)位檢查、中央處理器的自診斷等，判斷系統(tǒng)一切正常后，執(zhí)行下一個(gè)程序；如果自檢中發(fā)現(xiàn)問題，則顯示錯(cuò)誤的具體類型、發(fā)生位置，并將錯(cuò)誤信息反饋給設(shè)備管理人員，以便于檢查、維修。進(jìn)入通信服務(wù)環(huán)節(jié)后，PLC 的通信單元會(huì)正常接收從前端數(shù)據(jù)采集裝置、編程器等發(fā)送過來的數(shù)據(jù)、程序、命令，然后按照相應(yīng)的類別進(jìn)行存儲(chǔ)。處理完畢后，還要顯示處理結(jié)果，例如數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置，程序的執(zhí)行情況等。之后PLC 開始對(duì)傳感器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，并將程序執(zhí)行結(jié)果輸出到狀態(tài)寄存器中。由于PLC 采用周期循環(huán)掃描工作方式，因此每完成一個(gè)運(yùn)行周期，會(huì)刷新一次輸出結(jié)果，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器充放電情況的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

圖3 PLC 循環(huán)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(gòu)成，分別是觸摸檢測部分和觸摸屏控制部分。當(dāng)然，在實(shí)際安裝和應(yīng)用時(shí)，可以用鼠標(biāo)、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(zhì)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(duì)應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給觸摸屏控制器?？刂破鞣治鲇|摸位置信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，傳遞給CPU 進(jìn)行處理。CPU 在識(shí)別信息后，了解用戶的操作意圖，然后作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3.2 觸摸屏的選擇

在充放電參數(shù)采集裝置的設(shè)計(jì)中，觸摸屏的合理選擇也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。根據(jù)安裝位置、實(shí)現(xiàn)功能的不同，對(duì)觸摸屏各項(xiàng)參數(shù)（如分辨率、畫面數(shù)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(shù)，見表1。

表1 4 種常見觸摸屏的綜合比較

在上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)中，選擇西門子700IE型電容式觸摸屏，人機(jī)界面采用一體化設(shè)計(jì)，監(jiān)控視頻可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)展示，方便管理人員及時(shí)掌握現(xiàn)場電容器組的運(yùn)行工況。另外，該觸摸屏還可以顯示被控制對(duì)象的各項(xiàng)詳細(xì)參數(shù)，并且支持管理人員通過觸屏操作，查看不同類型的監(jiān)控信息。在充放電參數(shù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wěn)壓電源），以太網(wǎng)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(shí)滿足前端數(shù)據(jù)反饋和終端指令下達(dá)的需要。由于RS485 端口在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用的是差分傳輸模式，從而有效避免了信道堵塞、響應(yīng)延遲的問題。另外，考慮到高壓電容器與監(jiān)控中心之間的距離較遠(yuǎn)，使用RS485 端口通信還可以解決信號(hào)長距離傳輸中被噪聲干擾的問題，對(duì)提高信號(hào)質(zhì)量也有一定幫助。

4 系統(tǒng)充放電電路設(shè)計(jì)

4.1 電路系統(tǒng)組成

該裝置的核心功能是收集充放電參數(shù)，然后方便對(duì)高壓電容器充放電過程的定時(shí)與定壓控制，這樣既可以保證高壓電容器所在的電路系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能為檢修工作的安全開展創(chuàng)造良好條件。在實(shí)際中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)高壓電容器串并聯(lián)的情況，因此充放電電路也比較復(fù)雜。本文為了研究方便，對(duì)充放電電路進(jìn)行了簡化，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

由圖4 可知，充放電電路整體上采用閉環(huán)控制，用戶需要在上位機(jī)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(diǎn)擊“確認(rèn)”后將該控制指令傳遞到前端的執(zhí)行單元，開始進(jìn)行電容器的放電、充電。當(dāng)高壓電容器正常充/放電時(shí)，電壓檢測電路也同步啟動(dòng)，并且以特定的頻率采集電容器兩側(cè)的電壓值。采集到的數(shù)值同步上傳到上位機(jī)，由上位機(jī)將采集到的實(shí)際值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，判斷電容器的充電或放電是否達(dá)到了設(shè)定要求。只要“實(shí)際值小于預(yù)設(shè)值”，則維持當(dāng)前的充電或放電狀態(tài)；直到最新采集的數(shù)據(jù)顯示“實(shí)際值等于預(yù)設(shè)值”，則自動(dòng)停止電容器的充電或放電。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wěn)定、持續(xù)供電，支持短時(shí)間內(nèi)頻繁的充放電，對(duì)提高控制結(jié)果的精確性有積極效果。

圖4 電路系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

4.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

在充放電電路的設(shè)計(jì)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(shù)，都會(huì)對(duì)充放電參數(shù)采集裝置的實(shí)際運(yùn)行效果產(chǎn)生直接影響。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可知，在電容器充放電控制系統(tǒng)中，減小回路導(dǎo)線的電阻、降低回路開關(guān)的電感等措施，都可以直接影響到充放電控制結(jié)果的精確度。需要注意的是，在這些電路參數(shù)中，有些參數(shù)（如放電線圈的電阻值）是可以借助于測量儀器進(jìn)行直接測量的，還有一些參數(shù)（如放電回路的電感值）無法直接測得，只能通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行估測。為了使電路參數(shù)盡可能的精確，還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路并進(jìn)行求解。這里以電容電壓（uc）為例，其求解過程如下。

假設(shè)某高壓電容器充放電電路中需要充入電壓U0，此時(shí)測量放電回路的電阻值為R，電感值為L，完全放電狀態(tài)下測得電容器的電容值為C。當(dāng)電容器與放電線圈并聯(lián)回路中的開關(guān)斷開時(shí)，該電路的放電過程符合二階電路的零輸入響應(yīng)，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(lián)電路電壓，兩者的計(jì)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(jì)算出電容器充放電系統(tǒng)中電容電壓（uc）的值。

5 結(jié)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(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展下，設(shè)計(jì)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(duì)于體現(xiàn)控制的自動(dòng)化、人性化均有積極幫助。本文設(shè)計(jì)的一種以PLC 作為中心控制單元，同時(shí)融合了觸摸屏技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)的充放電參數(shù)采集裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電容器組充放電參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)測量。在此基礎(chǔ)上由計(jì)算機(jī)對(duì)比當(dāng)前實(shí)際電容量與預(yù)期電容量之間的差距，然后生成充電、放電指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電的自動(dòng)控制，以便于更好地發(fā)揮高壓電容器組的使用價(jià)值。