【正文】 28(8):14. [3] 徐立 .應(yīng)用超級(jí)電容的工程機(jī)械混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真研究 .武漢理工大學(xué)學(xué)位論文 .. [4] 蔡杏山 .零起步輕松學(xué)歐姆龍 PLC 技術(shù) .北京 ： 人民郵電大學(xué)出版社 .. [5] 徐文兵 .超級(jí)電容能量監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) .上海交通大學(xué)學(xué)位論文 .. [6] 董世成 .電工實(shí)驗(yàn)用可灌入式穩(wěn)壓電源 .期刊論文《商情》 .. [7] 朱磊，吳伯榮，陳暉等 . 超級(jí)電容研究及其應(yīng)用 . 稀有金屬， 2021,27(3).3738 [8] 張步涵， 曾杰，王云玲 . 超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用 . 水電能源科學(xué)，(5).6772. [9] 謝清華，郭佳歡，王鑫等 . 超級(jí)電容在微電網(wǎng)中的應(yīng)用 . 電網(wǎng)與清潔能源，2021,24(5).8. [10] 屈平，林燕 . 智能電網(wǎng)中的超級(jí)電容技術(shù) . 上海電氣技術(shù)， 2021,2(4).1012. [11] 周利祥，張科紅 . 恒流源實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì) .科技資訊 . 2021,22(7)..123132. [12] 宮淑貞，徐世許 .可編程控制器原理及 應(yīng)用 . 北京 ： 人民郵電出版社 （第二版） .. [13] 王時(shí)軍 . 輕輕松松學(xué)歐姆龍 PLC. 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 .. [14] Burke A .Ultracapacitors: why, how and where is the technology [J].Journal of Power Sources, 2021, 91(1):3750. [15] Yonghua Cheng， Joeri Van Mierlo， Peter Van den Bosschet and Philippe Lataire． Using Super Capacitor Based Energy Storage to Improve Power Quality in Distributed Power Generation .Telemunications Energy Conference， 2021， (1)： 537． 543 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 致 謝 本文是在陳 杰老師 的悉心指導(dǎo)下完成的，在這段時(shí)間內(nèi)，陳 老師 以敏銳的洞察力，淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)給與我很大的幫助，讓我受益匪淺。由于研究時(shí)間和本人 的研究水平的限制，仍然有許多的研究工作沒(méi)有完成。 通過(guò) PLC將電容的模擬量采集過(guò)來(lái)然后傳給 HMI，在 HMI上 可 以看到超級(jí)電容的電壓電荷變化狀態(tài)，并且也可以在 HMI上對(duì)電容進(jìn)行充電的控制。結(jié)合本文， 所做的工作和主要成果如下： ，為超級(jí)電容的充電提供了方便。 本文研究的 主題 是超級(jí)電容充放電控制系統(tǒng)， 超級(jí)電容的 電荷量 是能量管理的重要環(huán)節(jié)， 能夠 為 今后的控制提供 重要的數(shù)據(jù)參考。 左圖是每個(gè)超級(jí)電容的曲線圖，右圖是超級(jí)電容分別在 1A、 2A、 3A的充電電流下的充電曲線圖，由圖可知，電流越大，斜率越大，充電 也 越快。 圖 518 運(yùn)行人機(jī)界面圖 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 (2)充電、放電曲線圖 圖 519 充電放電曲線圖 上圖是超級(jí)電容的充放電曲線， 由 曲線可知， 電容的電荷量與時(shí)間呈現(xiàn)線性的關(guān)系，而且放電瞬間電荷量先有個(gè)突降，然后再緩慢變小。 (3) 關(guān)于計(jì)算 通過(guò)計(jì)算可知，電容的最大電荷量不超過(guò) 2021 庫(kù)倫， 采用電壓放 大 10 倍，來(lái)提高電壓的精度，而電容降低 10 倍，最終根據(jù)電荷量的公式： Q=C * U ，計(jì)算出的電荷量不變，同時(shí)也避免了雙字除法的運(yùn)算，簡(jiǎn)化了程序。 (2) 關(guān)于 塊比較指令 用通道 41， 43， 45， 47 分別存放電容 A、 B、 C、 D 的電荷量，而 4 4 46 存放數(shù)字 0， 比較結(jié)果 放在保持繼電區(qū)，如表 53 所示。15。 調(diào)試前注意事項(xiàng) (1) 確保 HMI 正負(fù)接線柱接對(duì)，給 HMI 上 24V 的電壓； (2) 確保模擬量接入 PLC 的 A/D 接口； (3) 確保實(shí)驗(yàn)前 PLC 和 HMI 均上電。 圖 514 電容充電控制 程序 HMI 的界面設(shè)計(jì) 通訊連接 圖 515 通訊連接圖 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 地址分配 人機(jī)界面和 PLC 的通訊連接是通過(guò)地址的一致性 來(lái) 實(shí)現(xiàn)的，人機(jī)界面每個(gè)控件 與 PLC地址 的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 詳見(jiàn)表 52。 圖 512 塊比較 程序 （ 8） 指示燈 圖 513所示的程序 中若 一個(gè)電容器的電荷量超過(guò)參考電荷， H0的 0到 3位必然會(huì)輸出 1， 則燈 ，達(dá)到報(bào)警的目的， 當(dāng)電壓低于額定電壓按下 。 圖 510 電容數(shù)值縮小 10 倍 （ 6） 電荷量的計(jì)算 根據(jù)電容電荷量的計(jì)算公式： Q=C*U，計(jì)算出參考電荷量以及 4個(gè)電容器的電荷量，其中 4個(gè)電容器的電荷量分別存放在 D41， D43， D45， D47 四個(gè)不連續(xù)的通道，目 的是為了進(jìn)行塊比較指令， 方便 與參考電荷量進(jìn)行比較，其程序如圖 511所示。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 58 塊傳送 程序 （ 4） 模擬量的轉(zhuǎn)換 將 4個(gè)電容器的電壓分別傳送到 200通道開(kāi)始的連續(xù)四個(gè)通道內(nèi)，并且通過(guò)線性轉(zhuǎn)換 SCL指令將采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換 ，計(jì)算出 4個(gè)電容器的電壓（是實(shí)際電壓的十倍）， 然后 存放在以 D0開(kāi)始的連續(xù) 4個(gè)通道內(nèi)，其程序如圖 59所示。 此外， 該段程序 將 5V的電壓放大至 50V， 目的是 提高電壓的 精度。 圖 56 電容容量輸入程序 （ 2） 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)定 線性轉(zhuǎn)換指令 SCL指令需要用到 兩個(gè)坐標(biāo)（ 0， 0），（ 0BB8， 50）， 圖 57所示 程序的目的就是將 4個(gè)數(shù)據(jù)傳送到 D20開(kāi)始的 連續(xù) 4個(gè) 通道 里 。具體連接圖如下： 圖 55 實(shí)物連接圖 恒流源充電器 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 PLC 的程序設(shè)計(jì) 對(duì)于該課題的研究，梯形圖的程序可以分為兩大段，即程序初始化階段和程序運(yùn)行階段。 220V 圖 53 PLC 外部接線圖 P L C 24V COM HMI SB1 SB2 SB3 過(guò)充指示燈 充電指示燈 恒流源充電器 模擬量 輸入 KM 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 充電電路圖 外部接線圖中，具體的 恒流源的充電電路 ， 如 圖 54 所示 。 圖 52 恒流源 及超級(jí)電容照片 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 硬件 設(shè)計(jì) PLC 的 I/O 分配表 根據(jù)控制要求，確定 PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)， 并 明確輸入輸出的地址 ，地址分配如表 51所示 。恒流源的實(shí)質(zhì)是利用器件 LM317對(duì)電流進(jìn)行反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于穩(wěn)定 [6]。 5 超級(jí)電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 恒流源設(shè)計(jì) 恒流源電路圖 為了能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易恒流源，其工作原理圖如圖 51所示， 電路所 用的元器件列表 ， 見(jiàn)附錄一 。當(dāng) 達(dá)到放電 的 終止電壓后， 在 斷開(kāi)放電負(fù)載的瞬間，端電壓 將會(huì) 回升， 進(jìn)而進(jìn)入放電弛緩狀態(tài) 。 下圖 是北京集星公司生產(chǎn)的 SU2400P0027V1RA型超級(jí)電容在不同電流下 的線性放電曲線。 從上圖 還可以看出， 充電時(shí)間隨著充電電流的增大而減小，并且通過(guò)計(jì)算可以得出 ，用 大電流 充入的電量會(huì) 比 用 小電流充入的電量多 [5]。 在充電過(guò)程中，若 C 不變，則超級(jí)電容端電壓就與時(shí)間 T就存在線性關(guān)系。根據(jù)電容的原理，電容的端電壓與電流有如下關(guān)系： C Δ V = ∫ i dt (1) 式中， i 是通過(guò)超級(jí)電容的電流。恒壓時(shí)，可以看出，電流逐漸減小最后降為 0。得出如圖 42， 43所示的 充電特性曲線 [5]。 總而言之，超級(jí)電容的性能 很大程度上 受制造技術(shù)、電解質(zhì)的組成、 電極的材料 以及 隔離膜質(zhì)量 的 影響。常用的有機(jī)電解質(zhì)隔膜有聚合物或紙，而常用的水溶液電解質(zhì)有可陶瓷隔膜或玻璃纖維。 電解質(zhì)材料有兩類(lèi)，一類(lèi)是有機(jī)類(lèi)， 另 一類(lèi)是無(wú)機(jī)類(lèi)， 還可以將材料 分固態(tài)類(lèi)和液態(tài)類(lèi) 兩大類(lèi) 。 早期的超級(jí)電容器的電極采用碳， 其結(jié)構(gòu)圖 如圖 41所示， 碳電極材料的表面積很大， 其中 電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級(jí)電容器 的容量值可以非常大，大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，一般容值范圍為 1～ 5000F。 超級(jí)電容 也存在 荷電狀態(tài) 的參數(shù)，其含義與 蓄電池 荷電狀態(tài) 含義一致。荷電狀態(tài) （ SOC） 是標(biāo)稱(chēng)當(dāng)前電池容量的狀態(tài)的參數(shù)，是控制蓄電池的重要指標(biāo)。 蓄電池使用 了 一段時(shí)間或 者 長(zhǎng)期擱置不用后的剩余 容量 與 它 完全 充電 狀態(tài)的 容量 的比值， 也 常用百分?jǐn)?shù) 來(lái) 表示。使用者必須先用畫(huà)面組態(tài)軟件制作 “工程文件 ”，再 通過(guò) 人機(jī)界面 和 PC機(jī) 的串行通訊口 （如 RS232C、 RS48以太網(wǎng)等）進(jìn)行通訊 ， 在 處理器中 下載編制好的“工程文件”，然后 運(yùn)行 即可 。根據(jù) HMI產(chǎn)品等級(jí) 的 不同，處理器 的選擇有 8位、 16位、 32位 三種 。 HMI 的基本功能 人機(jī)界面具有設(shè)備工作狀態(tài)的顯示（文字、按鈕、指示燈、曲線、圖形等），數(shù)據(jù)、文字輸入操作、打印 輸出，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄，簡(jiǎn)單邏輯和數(shù)值運(yùn)算等功能，且可以連接多種工控設(shè)備。開(kāi)關(guān)可置于顯示區(qū)域，用于將輸入信號(hào)發(fā)送至主設(shè)備。 NBZ系列顯示設(shè)備（ PT：可編程終端）可用于顯示信息及接收輸入操作。由于采用了 LED背光，比傳統(tǒng)的 CCFL背光更加環(huán)保、更加節(jié)能、使用壽命更長(zhǎng)。 HMI 簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)中采用 OMRON NBZ系列可編程終端 的 NB7WTW00BZ。翻譯成中文是人機(jī)界面，也叫人機(jī)接口，是系統(tǒng)和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介。此外，由于 PLC結(jié)構(gòu)模塊化及很強(qiáng)的自我診斷能力，維修也極為方便。 、調(diào)試和維修方便： PLC軟件取代 了 大量的 時(shí)間 繼電器、 中間 繼電器、計(jì)數(shù)器等 繼電器控制系統(tǒng)中的 器件， 大大減少了 控制柜 在 設(shè)計(jì)安裝接線 時(shí) 工作量。 ， 且 適應(yīng)范圍廣：現(xiàn)代 PLC不僅有邏輯運(yùn)算， 順序控制，定時(shí) 、 計(jì)數(shù) 等功能外 ，還具有 模擬量和數(shù)字量 的 輸入輸出端口 、功率驅(qū)動(dòng)、人機(jī)對(duì)話、 通信和 自檢等功能，既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線、又可以控制一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。 ，控制程序可變： PLC可利用齊全的各種硬件裝置來(lái)組成各種控制系統(tǒng)，用戶(hù)不必自己 再 設(shè)計(jì) 或者 制作硬件裝置。其組成單元如圖 21 所示 。 PLC運(yùn)行程序時(shí)，會(huì)按順序依次逐條執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序指令，當(dāng)執(zhí)行完最后的指令后并不會(huì)馬上停止，而是又重頭開(kāi)始再執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序，如此周而復(fù)始， PLC的這種 工作 方式稱(chēng)為循環(huán)掃描方式。 PLC 工作原理與組成單元 PLC 的工作原理 PLC是由一種程序控制運(yùn)行的設(shè)備。 歐姆龍 PLC 的 編程器件區(qū) PLC的 I/O存儲(chǔ)區(qū)又稱(chēng)編程器件區(qū)（或稱(chēng)軟元件區(qū)）， PLC編程過(guò)程可以看作是用指令對(duì)該區(qū)域進(jìn)行操作的過(guò)程。 CP1H系列 PLC設(shè)備與 CS/CJ系列共通的體系結(jié)構(gòu)，最多同時(shí)帶 7臺(tái)歐姆龍 CPM1A系列的擴(kuò)展 I/O及兩臺(tái) CJ1系列的高功能 I/O或高功能 CPU單元，大大增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)量和模擬量的擴(kuò)展能力。 CP1H系列的 PLC是歐姆龍公司于 2021年推出的小型機(jī)。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 CP1H/CP1L/CJ1和 CS1系列分別是歐姆龍主推的小、中、大型 PLC。 PLC 簡(jiǎn)介 日本歐姆龍公司是世界著名的 PLC生產(chǎn)商之一，歐姆龍公司的 PLC小型機(jī) 與其他日本品牌的小型機(jī)一樣非常有特色，某些歐美中大型機(jī)能實(shí)現(xiàn)的控制功能，用歐姆龍小型機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC） 給出 PLC的 最新定義 是 ： PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。隨著 科技 的發(fā)展， PLC的功能 也 逐漸 增強(qiáng)， 它也 不 再局限于 邏輯控制，因此，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)（ NEMA）于 1980年把它 重命名為可編程控制器（ Programmable Controller） ,簡(jiǎn)稱(chēng) PC，但是由于 PC與 個(gè)人計(jì)算機(jī)的英文縮寫(xiě) PC（ Personal Computer） 容易發(fā)生 混淆， 于是人們便 習(xí) 慣將 PLC當(dāng)成 縮寫(xiě)。 2 PLC 概述 PLC是英文 Programmable Logic Controller的縮寫(xiě)，意為可編程序邏輯控制器。由于這些電池的壽命受 大電流的直接影響，因此，對(duì)于那些長(zhǎng)壽命