http://www.newenergy.com.cn  2006-3-9 16:32:00  中国燃料电池网

胡林会　朱新坚　莫志军上海交通大学
　　摘要:介绍了可编程控制器在PEMFC燃料电池控制系统中的应用及设计过程,并用VC自行设计了一个简易的监测系统,根据需要连接装有该系统的计算机来监测燃料电池的性能。
关键词:S7-200可编程控制器　质子交换膜燃料电池(PEMFC)　串口
1　前言
燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置,是一项高效利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型,按使用的电解质不同分类,主要有磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池(PEM-FC)及碱性燃料电池等。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以固体聚合物作为电解质膜、空气或纯氧作为氧化剂,氢或者净化重整气作为燃料,带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板的一种发电装置,见图1。其具有工作温度低(50～100℃),低温下起动快,工作可靠性高,能量密度高,无排放污染;结构简单,制造方便等优点。可应用于手机、移动通讯、笔记本电脑、摄像机、电动自行车、电动汽车等。因此它的系统研究也引起广泛的关注。



2　控制系统的硬件设计
KW级可移动燃料电池的控制系统(见图2)是一个具备根据负载功率进行自我调节,自动测量系统参数如压力、流量、温度,并根据参数数值进行相应操作,模拟量PID输出控制各执行器的系统。另外作者设计了一个简单的监测系统来监控系统的参数,并可直观地查看系统实时运行情况。控制对象是电池的输出功率,监控系统根据负载功率,通过控制空气氢气的流量以及运行压力来对电堆的输出功率进行调节。



S7-200系列PLC是近几年德国SIEMENS公司自动化部推出的小型PLC,它特别适合完全分布式计算机系统的底层控制。S7-200基本单元包括中央处理器(CPU),电源和考虑周到的输入、输出端口;扩展模块包含额外的输入、输出端口,并通过总线连接器与基本单元相联。
1)基本单元:是一个标准可编逻辑控制器,包括CPU,电源和一定数量的I/O口。
2)扩展模块:提供在基本单元上增加I/O口的途径。
3)总线连接器:为扩展模块提供总线连接。
4)状态灯:描述了基本单位的当前状态和I/O口的状态。
5)通讯口:为非隔离的RS-485接口。使用一个9针D型连接器可连接编程电缆也可连接内部电缆。编程的波特率(PPI模式)是9600b/s在自由口方式下,可编程序控制器支持的波特率从300～38400b/s。根据系统特点我们选择S7-200系列的产品作为本系统的主控制器。
根据该系统的输入输出信号进行处理和归类。表1显示了系统部分所需的模拟量参数和开关量。本系统可以是只有PLC部分的控制系统,也可以选择性的添入1台上位机(任意1台配置有串口的电脑即可)来进行检测系统参数,并可以图形的形式来查看参数的变化趋势。上下位机采取串口通讯,通讯的波特率定义为9600b/s。下位机采用的是西门子S7-200系列PLC产品,硬件配置具体为西门子CPU224,24V电源(蓄电池),10路的模拟量输入模块,其中两路是热电阻的温度模块。4路是模拟量输出模块。控制系统测量采集所采用的传感器有流量传感器2个,压力传感器4个,温度传感器1个,电流传感器1个,电压采集用的是电阻串联分压方式,另外还有两个执行器控制流量是流量计自带的。24V固态继电器驱动各类开关。

3　控制系统软件设计
PLC部分根据系统的逻辑控制进行编程,西门子STEP7MicroWin3.2提供梯形图(LAD),STL和方框图(FBD)的3种编程方式采用梯形图编辑方式代替STL编辑方式,可以非常直观进行编程,并可以全部转化为STL语句打印出来进行查看。图3是控制系统部分应用程序的流程图。图4是通讯部分流程图。图5是采用VC设计的监测软件大致面板图。

该监测软件的初始界面如图5a所示,它所实现的功能是将PLC传过来的数据存到数据库中,并且将最近的40条纪录显示出来,而右边的则是最新的一条传送纪录。可以暂停数据传送,也可以点击下拉框实时显示自己需要看的数据图表,具体界面见图5b。对于想直观了解电池某些参数的变化趋势非常有效,其中显示的时间间隔和可以显示的数据个数都可以根据需要来进行设定。 4　结论 此PLC控制系统在燃料电池系统的使用中实现了对不同负载功率的适应性控制,提高了操作效率和可靠性。该系统结构紧凑,扩展性强,操作方便,用于可移动燃料电池效果很好。