CN103606692B - 基于plc的燃料电池测试系统温度控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置及控制方法，所述控制装置包括：内循环回路、外循环回路、PLC温度控制单元、上位机监控测试单元。内循环回路与燃料电池堆相连，与燃料电池堆直接进行热交换。外循环回路通过板式换热器与内循环回路进行热交换，降低内循环回路温度。所述控制方法是：当测试温度高于实际温度时，内循环回路先对温度进行粗调节，再与外循环配合进行温度细调节；当测试温度低于实际温度时，外循环回路先对温度进行粗调节，再与内循环配合进行温度细调节，内、外循环相互配合，实现对燃料电池测试温度的精确、快速控制。本发明具有结构简单、易于扩展、控制精确、安全可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试系统控制装置，特别是一种质子交换膜基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置及控制方法。
背景技术
随着近一段时间来我国北京、天津、武汉、上海等地多次雾霾天气的出现，环境问题又一次成为民众关注的焦点问题，与此同时，能源危机也是一个全球关注的热点问题，随着不可再生资源的不断消耗使用，不可再生资源频频告急，许多国家提出了“绿色能源新计划”，寻求能源新动力。
燃料电池是一种不经过燃烧过程的高效低污染发电装置，一般分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池及质子交换膜燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池以其高效、洁净、环保的突出优点，成为了现在研究的热点和重点。质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要有足够的氢气和氧气，可以长时间连续运行，并且具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，可广泛应用于小型电站、通信电源、机器人电源、汽车、电力系统、家庭生活等各领域。燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效发电技术。
燃料电池测试系统不仅在燃料电池系统的研发阶段十分重要，在其投入使用后对维持电池的正常工作也是不可或缺的。在整个电池行业中研发燃料电池测试系统的公司屈指可数，其中比较突出的有美国的Hydrogenics公司和美国国家仪器公司，Hydrogenics的Greenlight公司是世界上最大的燃料电池测试系统生产厂家，而在国内燃料电池测试系统研发较晚。
燃料电池电堆运行温度是影响燃料电池性能的重要因素之一，在不同的温度条件下燃料电池的工作效率有很大的差别，质子交换膜在60-80℃的温度范围内工作时效率较高，这就要求测试系统必须能够测试燃料电池在不同温度条件下的工作性能，而且对燃料电池温度进行精确控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于扩展、控制精确及安全可靠的基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置及控制方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置，包括：所述内循环回路包括温度传感器、加热器、循环水泵、流量计、流量控制器以及压力传感器，所述内循环回路与燃料电池堆相连，并与燃料电池堆直接进行热交换；所述外循环回路包括冷却水机组、流量控制器以及流量计，所述外循环回路通过板式换热器与所述内循环回路进行热交换，降低内循环回路温度；所述PLC温度控制单元实现对温度的精确控制，并通过Modbus总线向所述上位机监控测试单元发送实时参数信息；所述上位机监控测试单元发送温度设定命令，以测试不同温度条件下燃料电池的性能，实现实时监控测试功能，并将测试数据保存用于燃料电池堆性能分析。
所述基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置的控制方法是：
所述内循环回路是热循环回路，所述外循环回路是冷循环回路；燃料电池测试系统启动后，首先在所述上位机监控测试单元设定测试温度TS，当TS大于燃料电池堆温度T时，由所述PLC温度控制单元打开所述内循环回路中的加热器，快速给内循环中的水加热，并将所述内循环回路中的循环水泵开到最大转速，流量控制器开到最大，以使内循环回路水温快速上升，并和燃料电池堆充分热交换，使燃料电池堆温度同内循环水温同步上升，此时所述外循环回路关闭，由所述内循环回路通过模糊PID算法对温度进行粗调节；由于温度控制具有滞后性，在燃料电池堆温度T还低于设定测试温度TS1℃时，由所述PLC温度控制单元打开所述外循环回路，外循环回路通过模糊PID算法与内循环回路一起进行温度细调节，当设定测试温度TS与燃料电池堆温度T相等时，关闭所述内循环回路中的加热器，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定温度TS；当设定测试温度TS小于燃料电池堆温度T时，在燃料电池堆温度T高于设定测试温度TS1℃以上时，内循环回路循环水泵以及流量控制器都开到最大，由外循环回路通过通过模糊PID算法进行温度粗调节，当燃料电池堆温度T还高于设定测试温度TS1℃时，内循环回路通过模糊PID算法与外循环回路一起进行温度细调节，当设定测试温度TS与燃料电池堆温度T相等时，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定测试温度TS。
所述内循环回路将测试设定温度作为给定，将燃料电池堆温度作为输入量，采用模糊PID算法实时调节循环水泵和流量控制器；外循环回路通过板式换热器与内循环回路进行热交换，将测试设定温度作为给定，将燃料电池堆温度作为输入量，采用模糊PID算法实时调节流量控制器。
本发明所述的温度传感器采用体积小、安装简便、测量精度高的数字温度传感器DS18B20，但该传感器特殊的单线制通信协议不能和PLC兼容，设计了利用PIC作为控制器的温度处理单元，对DS18B20进行读取，并将读取到的温度值打包，通过modbus总线发送到PLC温度控制单元。
本发明所述的PLC温度控制单元采用西门子公司的S7-200系列PLC，上位机监控测试单元程序用Labview软件编写，与PLC温度控制单元通过Modbus总线相连，接收PLC温度控制单元发送的系统实时信息，向PLC温度控制单元发送温度设定命令以测试不同温度条件下燃料电池的性能，实现实时监控测试功能，并将测试数据保存用于燃料电池堆性能分析。
本发明提出的PLC的燃料电池测试系统温度控制装置采用温度控制模块化的方式，作为测试系统模块设计中的一部分，结构简单紧凑、易于扩展、具有很强的抗干扰能力、安全可靠等优点，采用模糊PID控制算法，可以实现对燃料电池动态性能下的燃料电池堆温度精确控制。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电气结构图。
图3为本发明的温度控制流程图。
图4为本发明的模糊PID程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明的主体结构如附图1所示：包括内循环回路、外循环回路、PLC温度控制单元、上位机监控测试单元；内循环回路与燃料电池堆相连，内循环回路由温度传感器、加热器、循环水泵、流量计、流量控制器、机械压力表，压力传感器组成，内循环回路用于和燃料电池堆直接进行热交换；外循环回路由温度传感器、冷却水机组、流量控制器、流量计组成，外循环回路通过板式换热器与内循环回路进行热交换，将燃料电池产生部分的热量带走，降低内循环回路温度；PLC温度控制单元与内循环回路和外循环回路分别电连接，与上位机监控测试单元通过Modbus总线相连，用于采集内循环回路和外循环回路电信号，执行模糊PID算法控制流量和压力，实现对温度的精确控制，并将信息通过Modbus总线发送给上位机监控测试单元。上位机监控测试单元给PLC温度控制单元发送温度设定命令，以测试不同温度条件下燃料电池的性能，实现实时监控测试功能，并将测试数据保存用于燃料电池堆性能分析。
本发明的电气结构图如附图2所示：PLC温度控制单元采用西门子公司的S7-200系列PLC，CPU模块选择CPU226，该CPU模块只有数字量输入输出单元，因此需要扩展模拟量输入输出单元。PLC温度控制单元的输入量包括内循环回路流量、压力，外循环回路的流量；输出量包括加热器开关、循环水泵开关、内循环流量控制器电流、外循环流量控制器电流；PLC温度控制单元通过modbus总线与变频器、温度处理单元通信，此时PLC温度控制单元作为通讯主站，变频器为从站1，PLC温度控制单元通过modbus总线设定变频器频率，从而控制循环水泵转速；该装置还包含一个基于PIC芯片的温度处理单元，温度处理单元为从站2，读取内、外循环回路中温度传感器DS18B20测试的温度值，将读取到的温度值打包，通过Modbus总线发送到PLC温度控制单元，解决了该传感器特殊的单线制通信协议不能和PLC兼容的问题。上位机监控测试单元用Labview软件编写，与PLC温度控制单元通过Modbus总线相连，此时上位机监控测试单元为modbus主站，PLC温度控制单元为modbus从站。
本发明的温度控制装置的温度控制功能主要有加热和冷却两个过程，其中内循环回路是热循环回路，外循环回路是冷循环回路，温度控制流程如图3所示：燃料电池测试系统启动后，首先在上位机设定测试温度TS，当TS大于燃料电池出堆温度T时，打开内循环中的加热器，快速给内循环中的水加热，并将内循环中的循环水泵开到最大转速、流量控制器开到最大以使内循环回路水温快速上升，并和燃料电池堆充分热交换，使燃料电池堆温度同内循环水温同步上升，此时外循环回路关闭，由内循环回路通过模糊PID算法对温度进行粗调节；由于温度控制具有滞后性，在T还低于TS1℃时，打开外循环回路，外循环回路通过模糊PID算法与内循环回路一起进行温度细调节，当TS与T相等时，关闭加热器，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定温度TS；当设定温度TS小于燃料电池出堆温度T时，在T高于TS1℃以上时，内循环回路循环水泵、流量控制器都开到最大，由外循环回路通过模糊PID算法进行温度粗调节，当T还高于TS1℃时，内循环回路通过模糊PID算法与外循环回路一起进行温度细调节，当TS与T相等时，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定温度TS。
本发明的模糊PID程序流程图如附图4所示：控制系统采用“双入三出”的模糊控制器，输入量为温度测试设定值与温度测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为PID控制的比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td，基于对燃料电池测试数据的分析和温度控制的经验，制定模糊控制规则表，并将制定的模糊控制控制表置入PLC的V存储区中，当采样时间到了之后，计算上位机设定的温度测试设定值与温度测量值的偏差e以及偏差变化率ec，经过量化后查询模糊控制规则表得到模糊控制输出量，经过反模糊化后得到PID控制参数Kp、Ti、Td，PLC经过PID运算后输出对变频器、内循环回路流量控制器及外循环回路流量控制器的控制量，以内循环回路的压力、流量及外循环回路的流量，从而控制测试温度稳定在测试设定值。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种基于PLC的燃料电池测试系统温度控制装置，包括：内循环回路、外循环回路、PLC温度控制单元、上位机监控测试单元，其特征在于：所述内循环回路包括温度传感器、加热器、循环水泵、流量计、流量控制器以及压力传感器，所述内循环回路与燃料电池堆相连，并与燃料电池堆直接进行热交换；所述外循环回路包括冷却水机组、流量控制器以及流量计，所述外循环回路通过板式换热器与所述内循环回路进行热交换，降低内循环回路温度；所述PLC温度控制单元实现对温度的精确控制，并通过Modbus总线向所述上位机监控测试单元发送实时参数信息；所述上位机监控测试单元发送温度设定命令，以测试不同温度条件下燃料电池的性能，实现实时监控测试功能，并将测试数据保存用于燃料电池堆性能分析，其特征在于：所述内循环回路是热循环回路，所述外循环回路是冷循环回路；燃料电池测试系统启动后，首先在所述上位机监控测试单元设定测试温度TS，当TS大于燃料电池堆温度T时，由所述PLC温度控制单元打开所述内循环回路中的加热器，快速给内循环中的水加热，并将所述内循环回路中的循环水泵开到最大转速，流量控制器开到最大，以使内循环回路水温快速上升，并和燃料电池堆充分热交换，使燃料电池堆温度同内循环水温同步上升，此时所述外循环回路关闭，由所述内循环回路通过模糊PID算法对温度进行粗调节；由于温度控制具有滞后性，在燃料电池堆温度T还低于设定测试温度TS1℃时，由所述PLC温度控制单元打开所述外循环回路，外循环回路通过模糊PID算法与内循环回路一起进行温度细调节，当设定测试温度TS与燃料电池堆温度T相等时，关闭所述内循环回路中的加热器，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定温度TS；当设定测试温度TS小于燃料电池堆温度T时，在燃料电池堆温度T高于设定测试温度TS1℃以上时，内循环回路循环水泵以及流量控制器都开到最大，由外循环回路通过模糊PID算法进行温度粗调节，当燃料电池堆温度T还高于设定测试温度TS1℃时，内循环回路通过模糊PID算法与外循环回路一起进行温度细调节，当设定测试温度TS与燃料电池堆温度T相等时，内循环回路与外循环回路均通过模糊PID算法一起调节使温度稳定在设定测试温度TS。
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