超级电容监控系统的自保护设计*

彭长青，尚荣艳

(华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

超级电容监控系统的自保护设计*

彭长青，尚荣艳

(华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

大电流放电实验系统中，超级电容监控系统存在硬件损坏、软件崩溃、通信失联等问题。为此，提出了解决电源故障、HMI故障、超级电容通信故障、PLC故障的自保护方案，解决了监控系统自身失效的检测和保护问题。最后，对实际开发的超级电容监控系统自保护功能进行了测试，结果表明，该自保护设计方案确实是可行和有效的。

超级电容；人机界面；监控系统；自保护

0 引言

超级电容是一种新型的电能存储装置，具有功率密度大、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点。它可以在极短的时间内吸收或释放相当大的功率，为其他设备提供缓冲，己经应用于电动车辆、风力发电、航空和激光武器等很多领域的储能系统[1- 6]。

然而，超级电容单体额定电压低，需要大量单体串并联组合工作，使用条件、环境温度、充电电流、偏置电压、单体参数等诸多因素均将影响超级电容的性能，恶劣的工作环境将会导致其寿命大大降低[7-10]。超级电容监控系统的作用是实时监视超级电容运行状况，并进行相应控制反馈；当预测到存在故障隐患时及时报警通知管理人员进行维护和处置，防患于未然；当发生破坏性故障时，能够快速响应自动实施保护动作，防止故障损失扩大。监控系统有利于最大限度地利用超级电容存储能力，提高其循环寿命[11-12]。

核心部件为超级电容的某大电流放电实验系统，可以提供短时大电流，主要用于测试继电器及接触器等在大电流开合时的性能及寿命参数。在此实验系统中，基于人机界面触摸屏(Human Machine Interaction，HMI)的超级电容监控系统由开关电源、HMI、可编程控制器(Programmable Logic Controller ，PLC)等多个硬件组成，存在着硬件损坏、软件崩溃、通信失联等可能。当发生系统自身失效时，会造成不能正常对超级电容进行状态检测、运行控制和故障保护，存在严重的安全隐患。因此，对超级电容监控系统自身实行状态监控及保护也非常重要。

本文首先分析基于HMI的超级电容监控系统各种可能的失效成因，然后论述了电源故障、HMI故障、超级电容通讯故障、PLC故障等自保护方案。最后，对实际开发的超级电容监控系统进行自保护功能测试结果。

1 监控系统自身失效分析

HMI是监控系统的核心，通过总线网络连接多台被监控设备——超级电容，实时获取设备运行状况，并发送控制指令[13-14]。HMI一般还需要外接一台PLC(也可以用可控I/O设备替代)，用于获取开关量等状态，并且控制声光组件等报警装置动作，最重要的是当系统出现严重故障时，能够通过PLC操作外部装置实现系统保护，如切断故障设备电源、将故障部件解列、切除负载等。

基于HMI的监控系统典型硬件/网络拓扑如图1所示[15]。

图1 典型监控系统硬件(网络拓扑)

在这种监控系统中，PLC和HMI一般采用开关电源供电，因此出现系统自身失效的可能包括：监控系统掉电、开关电源损坏、被监控设备硬件损坏导致通信中断、被监控设备软件异常导致通信中断、总线网络线路故障导致通信中断、HMI硬件故障、HMI软件系统崩溃、PLC硬件损坏、PLC程序异常、HMI与PLC通信失联等。

故障按部件可分为：电源故障、超级电容故障、HMI故障、PLC故障。故障按类型可分为：硬件故障、软件故障、通信故障。

根据工程经验，出现故障的几率从高到低依次为(被监控设备由于种类很多，可靠性也各不相同，因此不参加排序)：网络线路故障、电源故障、HMI软件故障、HMI硬件故障、PLC故障。网络线路由于接线松动、虫鼠灾害、线路老化、人为破坏、环境干扰等因素影响，出现故障的可能性相对较高。电源部分由于线路故障、供电质量低、雷击、开关电源易损等因素影响，也容易出现故障。PLC虽然内部也相当复杂，但是由于技术十分成熟，尽量选用西门子、三菱、欧姆龙等大厂的工业级产品，质量还是十分可靠的；而且在监控系统中作为保护使用的PLC，控制程序不需要十分复杂，因此故障率相对来说反而是最低的。

2 监控系统自保护设计

2.1 电源故障自保护

常见电源故障包括系统掉电、开关电源损坏等。电源故障检测的关键问题是：发生电源故障后HMI和PLC都不能工作。如何准确地将故障对外展现，就需要在输出电平定义上着手。

监控系统运行状态输出硬件原理如图2所示，PLC输出端子Q0.1(可以改用其他任意输出端子)用于指示监控系统是否运行正常，以及驱动相应报警和保护装置工作。

图2 监控系统自保护输出硬件原理图

为了在出现电源故障时能够正常指示监控系统运行状态，对Q0.1输出电平定义如下：当系统运行正常时，输出电平为高电平；当系统出现自身失效时，输出电平为低电平。

在系统正常运行时，HMI控制PLC的Q0.1值为1，此时内部等效开关闭合，端子输出高电平。当系统整体掉电或开关电源损坏时，不管PLC是否工作，输出电平肯定是低电平，此时报警装置和保护装置动作(报警和保护装置要求采用独立的电源，或配备后备电源)，解决了电源故障指示的问题。

2.2 HMI故障自保护

HMI故障通过PLC检测，包括HMI硬件损坏、HMI软件异常、PLC与HMI通信中断。

监控系统正常工作时，HMI会定期和PLC进行通信，但是如果不进行特殊处理，PLC无法判断HMI是否正常工作，为了实现PLC对HMI工作状态的检测，采用了心跳包技术。

心跳包就是通信双方间按照一定的时间间隔发送一个简短的通信指令通知对方自己的状态，类似于心跳，所以叫做心跳包[16]。

HMI每隔一段时间将PLC的M0.0(也可以是任意其他可用位地址)值翻转，如果PLC检测到该位的值连续一段时间保持不变，就认定HMI工作不正常或是PLC和HMI之间的通讯线路出现问题。

PLC检测HMI工作状态的程序如图3所示，当M0.0超时不变时，Q0.1值置0，结合图2可知，端口输出低电平。

图3 HMI状态检测程序

2.3 被监控设备(超级电容)通信故障自保护

被监控设备故障包括设备状态故障和通信故障等，只要通讯正常，设备的其他故障理论上都能被检测到并通过网络通知HMI处置，因此不属于监控系统自保护关注内容。本文只关注被监控设备因为硬件损坏或软件异常导致的通信中断，以及总线网络线路故障导致HMI和被监控设备通信不正常时的自保护。

HMI对设备监控常用的两种方式：(1)HMI主动模式，HMI定期查询设备状态信息；(2)HMI被动模式，设备定期向HMI上报状态信息。HMI被动模式还有一个变种模式：设备正常时只向HMI发送心跳包，当设备状态变化或异常时才会主动上报状态信息或报警信息。不管采用哪种方式，HMI和被监控设备都有一个定期交互的过程，可以从此着手进行保护设计。

对于HMI主动定期查询状态信息的方式，当查询指令发送后，如果被监控设备在设定的超时时间范围内没有应答，就可以认定为通信超时。容错策略：当发生通信超时后，HMI尝试重发查询指令并等待设备应答，在设定次数的重试失败后才最终认定设备通信中断。

被监控设备定期上报信息的实现方式是，HMI在内存中维护一个待接收对象通信信息队列，当接收到设备上报信息后，更新队列中对应对象的通信信息。HMI周期性地轮询队列通讯状态，如果某个被监控设备的最后一次成功通信时间距当前时刻超过设定时长，则认定被监控设备通信中断。容错策略：将超时时长设定为实际上报间隔的多倍长。

当HMI检测到被监控设备通信中断时，一方面在HMI显示屏上以指示灯及文字跑马灯等形式指示故障，同时控制PLC的Q0.1值为0，此时端子输出低电平。

2.4 PLC故障自保护

PLC故障通过HMI检测，包括PLC硬件损坏、PLC程序异常、HMI与PLC通信中断。

监控系统正常工作时，HMI会定期和PLC进行通信。当PLC因为硬件损坏或是通信线路故障导致无法和HMI进行通信时，HMI可以正常检测到，但是要检测PLC程序是否正常运行，则需要特殊处理。

HMI对PLC工作状态检测原理：PLC在主程序的尾部，定期将M0.1(也可以是任意其它可用位地址)的值翻转；HMI定期读取该位的值，如果读取失败，则表明PLC损坏或是通信线路故障；如果读取成功但是该值一直保持不变，则表明PLC没有进入运行状态或是程序执行有问题。

当HMI检测到PLC异常时，一方面在HMI显示屏上以指示灯及文字跑马灯等形式指示故障，同时用短信或邮件形式通知管理人员(仅限带LAN接口的HMI)。

3 监控系统的自保护功能测试

3.1 实际开发的超级电容监控系统简介

实际开发的超级电容监控系统保护对象为Maxwell公司所生产的BMOD0063 P125系列超级电容模块(Ultra Capacitor Module，UCM，更通常的翻译为Super Capacitor Module)，该超级电容自带CAN通信功能。人机界面触摸屏(HMI)选用上海鸿昶Sukon-070C，该触摸屏自带2路485端口、1路CAN端口。PLC选用西门子S7-200 CPU222。

超级电容监控系统硬件/网络拓扑如图4所示(图中SM为智能电表)，软件功能框架如图5所示，系统调试主界面如图6所示。

图4 超级电容监控系统硬件(网络拓扑)

该系统的PLC输出包括三个保护端子。Q0.2为UCM预警输出端子，正常时低电平，预警时高电平；Q0.0为UCM报警输出端子，正常时低电平，报警时高电平；Q0.1为系统自保护输出端子，正常时高电平，系统失效时低电平。

图5 超级电容监控系统功能框架

图6 超级电容监控系统调试主界面

3.2 自保护功能测试分析

超级电容监控系统的自保护功能测试结果如表1所示。

表中通信故障都有容错处理，通信超时一般都设置成500 ms。

从表1中可以看出，超级电容监控系统的自保护功能达到了设计要求，可以有效保护监控系统可靠运行。

表1 自保护功能测试结果

4 结论

超级电容监控系统自保护是加强系统可靠性的重要措施，使监控系统能够在自身失效的时候及时告警，通知管理人员，同时自动采取必要的保护措施确保被监控设备安全。

本文重点阐述了超级电容监控系统发生电源故障、HMI故障、超级电容通信故障、PLC故障时，系统实现自保护的方案。实验证明，该自保护设计方案是可行且有效的。

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Self-protection design on the super capacitor monitoring system

Peng Changqing,Shang Rongyan

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

In the large-current discharge experiment system,the super capacitor monitoring system has problems such as hardware damage,software crash,and communication loss.Therefore,this paper proposed a self-protection scheme of the power failure,HMI fault,communication failure of the super capacitor,and PLC fault,which solves the failure detection and protection problem of the monitoring system.Finally,the self-protection function test of the actual super capacitor monitoring system shows that the self-protection scheme is indeed feasible and effective.

super capacitor; human machine interaction; monitoring system; self-protection

厦门科技计划项目(3502720153029)

TP319

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.008

彭长青，尚荣艳.超级电容监控系统的自保护设计[J].微型机与应用，2017,36(10)：26-29.

2016-11-25)

彭长青(1976-)，男，硕士，主要研究方向：电气装置状态监测与故障诊断。

尚荣艳(1975-)，女，博士，主要研究方向：电气装置状态监测与故障诊断。