基于电池组性能测试系统的工业控制网络研究

王雪梅

1、引言

计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。对于大型的工业现场，由于被控对象、测控装置等设备的地域分散性，以及控制任务的实时性要求，基于现场总线和工业以太网的控制网络是一个很好的解决方案。现场的信息经传感器、现场总线再经以太网传送到远程的监控终端。同时，控制信息通过控制网络从远程监控终端送到工业现场，实现工业过程的远程监视和控制。[1]

2、电池组性能检测系统介绍

电池组性能测试系统主要功能是完成多只铅酸动力蓄电池串联的充、放电试验。系统工作模式分为充电、放电、搁置，其中充电控制方式主要有恒流定时充电、恒流定容量充电、恒流定终止电压充电和恒流限压定时充电；放电控制方式主要有恒流定时放电和恒流定终止电压放电；搁置一般是指定时搁置。并且可以根据需要，任意排列三种工作模式、设定工作参数，即充放电工艺的编辑和执行。实现本地和远程监控功能，本地监控时，现场的人机界面（触摸屏）负责充放电系统的监视和控制，远程上位机只起到监视作用；远程监控时，现场的人机界面只起到监视作用，由远程上位机实现充放电过程的远程监控。实现自动和手动控制，自动控制是指按照工艺文件控制充放电过程；手动控制模式下，具有相应权限的用户可以进行手动开始终止充电和放电过程。

根据电池组性能测试系统技术要求，参考了多种方案，对系统构成的复杂程度、测试精度、可靠性、经济性等多种因素进行了比较，确定了如下方案：

将电池组性能测试系统分为两个独立的控制过程，一是充电过程，一是放电过程。充电部分电路用12脉波可控整流方式，由AC10kV电网经变压器变成低压，再经可控整流桥给蓄电池充电，通过调节有载调压变压器和可控整流相位角实现充电电流的调节。

放电部分电路用负载电阻和斩波电路的能耗放电方式，通过直流接触器、电阻负载进行能耗放电，用多个电阻放电支路和斩波放电支路相配合，实现放电电流调节。

从功能角度，电池组性能测试系统主要分为充电系统、放电系统、监控系统、检测系统。充电系统由变压器、水冷柜、整流柜、控制柜组成，主要完成电池组充电功能；放电系统由斩波柜、开关柜、电阻负载组成，主要完成电池组放电功能；监控系统由上位机、监控管理软件、人机界面及其监控软件、打印机等组成，主要完成电池组充、放电过程的状态监视、充放电工艺编辑和下载、指令下达、数据记录和报警、用户权限管理、分析统计、报表打印等功能；检测系统由PLC远程站和传感器组成，主要完成电池电压（70～81只）和温度、系统工作状态的检测，并通过DP总线传送给PLC。

3、工业控制网络体系结构

基于西门子PLC、HMI和DSP控制器，采用RS-485、PROFIBUS-DP现场总线、工业以太网等多种技术，构建全新的多层次工业控制网络。本控制网络共分为现场设备层、本地监控层和远程监控层，如图1所示。[2]

3.1现场设备层

现场设备层是指安装在工业现场的智能仪表、变送器、继电器、接触器等数据采集和控制设备，它完成对现场设备的控制及现场数据的采集，并与监控层进行数据交互，是整个系统的基础，系统的控制逻辑都集中在此层，因此该层应具有较高的可靠性、稳定性及冗余度。现场设备以网络节点的形式挂接在总线上，通过西门子ET 200远程站模块和斩波控制器，以PROFIBUS-DP现场总线和RS485方式与现场监控层通信。

3.2现场监控层

现场控制层是本网络的中间层，该层从现场设备中获取数据，完成各种控制策略、运行参数的监测、报警等功能，另外还包括控制策略的设计和下装，即实现本地监控功能。该层的核心设备是PLC，共包括主、从两层结构，PLC通过以太网接口和现场总线、RS485接口与远程监控层和现场设备层相连，协调网络节点之间的数据通信。

3.3远程监控层

远程监控层的主要目的是在以太网环境下构建一个安全的远程监控系统。该层通过以太网与现场监控层的PLC主站进行通信，对现场数据进行实时监控、分析、报警、归档，同时向PLC主站下达控制指令和参数，实现现场过程的远程监视和控制。

4、功能设计

从图1中可以看出，本控制网络主要包括以下几个控制和通信模块：主站PLC、从站PLC、斩波控制器、人机界面HMI（TP面板）、上位机等。

4.1主站PLC

主站PLC是整个电池组性能能测试系统的控制和通信的核心，主要完成充放电过程的监视和控制、通讯中转功能。根据用户设定，控制放电装置中各放电支路的通断和斩波支路的放电电流，同时主站PLC通过RS485与斩波控制器的DSP控制器通信，通过DP总线与从站PLC、人机界面和底层设备通信，通过以太网与远程上位机通信。将充电装置、放电装置、监控设备、检测系统连接到一起，实现数据的传送。

4.2从站PLC

从站PLC通过DP总线与主站PLC相连，根据监控系统的指令和设定参数，按照一定的周期扫描充电系统状态和参数，通过不断调整变压器输出和整流桥相位角，实现对充电过程的控制，同时将采集到的实时状态和参数传送给主站PLC，并通过主站PLC传送给监控系统。主站PLC根据从站PLC反馈回来的状态和参数，向从站PLC不断发送新的指令和参数，控制充电过程的运行。

4.3斩波控制器

斩波控制器主要完成放电子系统中斩波支路的控制功能，根据主站PLC的指令和参数给定，输出3路相位互差120°的PWM触发脉冲，控制3个斩波单元实现斩波放电支路的电流调节，进而配合其他固定电阻放电支路，实现放电过程的恒流控制。斩波控制器通过RS485与主站PLC通信，接收工作指令并上传工作状态。

4.4人机界面HMI

人机界面通过DP总线与主站PLC相连，主要实现充放电过程的本地监视和控制，运行状态和充放电参数的实时监视，以及本地工作方式下的指令和参数给定。具体功能包括：实时状态和参数监视和报警、数据记录、充放电工艺的编辑和下载、故障处理和报警、手动操作、用户权限管理等。

人机界面监控软件采用西门子集成开发环境WinCC felxible 2005进行开发，通过输入/输出域、按钮、图形化仪表等控件实现对充放电工艺过程的实时监视和控制。监控画面切换和指令给定主要通过按钮控件和控件事件脚本函数实现。

4.5上位机

远程上位机通过以太网与主站PLC进行通信，主要实现充放电过程的远程监控，具体功能包括：状态和参数的实时监视和报警、数据记录、分析统计、趋势图和报表生成打印、故障处理和报警、充放电工艺编辑和控制、用户权限管理等。

上位机监控管理软件采用西门子集成开发环境WinCC 6开发，通过与主站PLC的实时通信监视和控制充放电过程，主要包括画面子系统、报警子系统、数据记录和分析子系统、趋势和报表生成和打印子系统、用户管理子系统等。

5结束语

本文以蓄电池组性能检测系统为控制对象，采用最新的工業控制技术和网络技术构建全新的多层次工业控制网络。该控制网络具有分层结构，具有很好的实时性、稳定性和可扩展性，很有推广价值。

参考文献：

[1]云利军.网络化运动控制系统行为特性的研究[D]：[博士学位论文].天津：河北工业大学，2006

[2]廖常初 陈晓东编著.西门子人机界面——（触摸屏）组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.5.