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1、 盐 城 师 范 学 院 毕业设计（论文） 2013 2014 学年度 基于 HMI 和 PLC 的超级电容充放电 控制系统的设计 学生姓名 倪莹莹 学 院 物理科学与电子技术学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 指导教师 陈 杰 2014 年 5 月 20 日盐城师范学院毕业设计（论文） I 基于 HMI 的 PLC 的超级电容充放电控制系统的设计 摘 要 本文在介绍 PLC 和人机界面（ HMI）的基础上，提出了超级电容充放电控制系统的设计方案，设计并制作了用于超级电容充电的恒流源，并利用 PLC 软件进行模拟量输入和数值运算，利用 HMI 软件绘制人机界面，对超级电容在充放电

2、过程中的荷电状态进行实时监控，实验表明，本设计能实现对超级电容充放电的控制，达到了预期的目标。 关键 词 ： 超级电容， PLC， HMI，恒流源 盐城师范学院毕业设计（论文） II The Design of Super capacitor Charge and Discharge control system Based on HMI and PLC ABSTRACT On the basis of PLC and human-machine interface (HMI), the super capacitor charge and discharge control system d

3、esign scheme was proposed. We design a constant current source for super capacitor charging, and we use PLC software for analog input and numerical calculation. Besides, the use of HMI software is to render the man-machine interface and monitor the super capacitor in the process of charging and disc

4、harging charged state in time. From the experiment results, this design can control the super capacitors charge and discharge, which achieve the expected goal. KEY WORDS： super capacitor， PLC， HMI， constant current source盐城师范学院毕业设计（论文） 1 目 录 1 绪 论 .1 1.1 研究背景 .1 1.2 超级电容的现状 .1 1.3 本课题研究的内容及意义 .2 2 P

5、LC 概述 .2 2.1 PLC 简介 .2 2.2 欧姆龙 PLC 的编程器件区 .3 2.3 PLC 工作原理与组成单元 .3 2.3.1 PLC 的工作原理 .3 2.3.2 PLC 的组成单元 .3 2.4 PLC 的特点 .4 3 HMI 概述 .5 3.1 HMI 简介 .5 3.2 HMI 的基本功能 .5 3.3 HMI 的组成及其工作原理 .6 4 超级电容介绍 .6 4.1 超级电容 SOC 的定义 .6 4.2 超级电容的结构 .6 4.3 超级电容的充放电特性 .7 5 超级电容充放电控制系统的设计 .8 5.1 恒流源设计 .8 5.1.1 恒流源电路图 .8 5.1

6、.2 恒流源实物图 .9 5.2 硬件设 计 .10 5.2.1 PLC 的 I/O 分配表 .10 5.2.2 PLC 外部接线图 .10 5.2.3 充电电路图 . 11 5.2.4 实物连接图 . 11 5.3 PLC 的程序设计 .12 5.4 HMI 的界面设计 .15 5.4.1 通讯连接 .15 5.4.2 地址分配 .16 5.4.3 界面设计 .16 5.5 调试 . 错误 !未定义书签。 5.5.1 调试前注意事项 .17 5.5.2 PLC 程序调试 .17 5.5.3 HMI 界面 .18 6 总结 .19 参考文献 .20 致 谢 .21 附 录 .22盐城师范学院毕

7、业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 研究背景 超级电容作为一种新型的储能器件 ,有着其无可替代的优越性，它结合了锂离子电池和双电层电容两者的优点，已经成为近年来研究的热点之一。 超级电容又称双电层电容器 ，它是介于 普通 电容器和充电电池 间 的 一种新型 的 储能元件。碳电极、有机聚合物电极 以及金属氧化物电极 则 是超级电容 常 用的三种电极材料 。与传统的电化学电池相比， 超级电容的优点越发突出， 除了 充电 的 速度快 效率高、 电容的 功率密度高、循环使用寿命 很 长 的优点 外它 还有 控制简单、低温性能优越、绿色环保等优点 ， 由此可见， 超级电容必定 具有广阔的应用前景。

8、超级电容用途非常广泛：在混合动力汽车中，超级电容器非常高的功率密度 就 很好地满足了电车在起动、加速、爬坡时对功率的需求， 因此 可以作为混合型电动车的加速或起动电源； 在电子类方面 ， 除了可以 用作 玩具电池，还可以作为医疗机械设备的急救电源；超级电容的储能装置在电力系统中也可作为一种精致补偿器来改善系统电压的质量， 此外 ，超级电容在光伏发电系统和微电网中也有着很广泛的用途和应用前景 1。 1.2 超级电容的现状 超级电容器 作为一种 性能卓越的 储能元件 ， 可以作为独立电源或复式电源使用，广泛应用在 备用电源、脉冲放电、 启动、牵引动力等领域。自 1957 年美国人 Becker 发

9、 布 第一篇关于超级电容器的专利以来 , 超级电容器以其特有的优点为各国政府、军事部门及工业界所重视 , 并得到很大程度上的发展。在超级电容的研究及应用方面 , 美国、日本和俄罗斯走在世界的前列。 超级电容的研究在我国虽然起步比较晚，但是通过努力也取得了杰出的成果。 2004 年 7 月份，由上海的十多家科研单位 联合开发的首部超级电容公交车快速充电 系统通过验收，并在投入试运行 。 2006 年 8 月，超级电容公交车 11 路示范线正式通车。目前 超级电容的容量也已经能达到 法拉级甚至上万法拉，常用的超级电容的电容量是0.1F5000F， 能够实现快速充放电和大电流放电，比蓄电池具有更长的

10、循环使用寿命（充放电次数可达 10 万次），更高的功率密度（可达 1000W/kg 数量级）。 由此可见，我国在超级电容方面的自主知识产权也达到了国际领先的水平 2。 盐城师范学院毕业设计（论文） 2 1.3 本课题研究的内容及意义 Li离子、 NiMH等新型电池有着比较合理的能量储存方案，并且也广泛应用在各个领域，但是众所周知，化学 电池的原理是电化学反应，通过产生法拉第电荷的转移来储存电荷的，故它们的使用寿命较短，并且很容易受温度的影响，当然这也是铅酸电池（蓄电池）所面临的难题 3。由于这些电池的寿命受 大电流的直接影响，因此，对于那些长寿命、高可靠性要求的某些应用， 这些电池的不足就日渐

11、突出， 超级电容器作为一种新型储能装置，由于它 的储能的过程是可逆的， 而且 可以反复充放电数十万次，具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点 登上了时代舞台 。 超级电容的充放电特性是超级电容的一个重要的指标， 对超级电容充放电控制系统的研究也就具 有很重要的意义 。 2 PLC 概述 PLC是英文 Programmable Logic Controller的缩写，意为可编程序逻辑控制器。世界上第一台 PLC于 1969年由美国数字设备公司（ DEC）研制成功。随着 科技 的发展， PLC的功能 也 逐渐 增强， 它也 不 再局限于 逻辑控制，因此，美国电气制造协会（ NE

12、MA）于 1980年把它 重命名为可编程控制器（ Programmable Controller） ,简称 PC，但是由于 PC与 个人计算机的英文缩写 PC（ Personal Computer） 容易发生 混淆， 于是人们便 习惯将 PLC当成 缩写。由于 PLC一直在发展之中，最后的定义 尚未确定 。国际电工委员会（ IEC） 给出 PLC的 最新定义 是 ： PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计的，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PL

13、C及其相关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计 。 2.1 PLC 简介 日本欧姆龙公司是世界著名的 PLC生产商之一，欧姆龙公司的 PLC小型机与其他日本品牌 的小型机一样非常有特色，某些欧美中大型机能实现的控制功能，用欧姆龙小型机就可以实现。欧姆龙公司 PLC产品分为大、中和小型机，大、中型机采用模块式结构，小型机采用整体式结构。 盐城师范学院毕业设计（论文） 3 CP1H/CP1L/CJ1和 CS1系列分别是欧姆龙主推的小、中、大型 PLC。 CP1H/CP1L具有与 CJ1、 CS1几乎一样的内部存储结构，故可使用 CJ1、 CS1一样的梯形图编程。

14、 CP1H系列的 PLC是欧姆龙公司于 2005年推出的小型机。该机型外型小巧，速度极快，执行基本命令仅需 0.1us，且内置功能强大。 CP1H系列 PLC设备与 CS/CJ系列共通的体系结构，最多同时带 7台欧姆龙 CPM1A系列的扩展 I/O及两台 CJ1系列的高功能 I/O或高功能 CPU单元，大大增强了开关量和模拟量的扩展能力。另外， CP1H系列 PLC取消了手持编程的支持，它采用USB接口与编程计算机连接，还提供了 RS-232C和 RS-485接口与外接设备 进行 连接通信 4。 2.2 欧姆龙 PLC 的 编程器件区 PLC的 I/O存储区又称编程器件区（或称软元件区）， P

15、LC编程过程可以看作是用指令对该区域进行操作的过程。 CP1H系列 PLC的 I/O的存储区可以分为通道 I/O区（ CIO区）、内部辅 助继电器区（ WR）、保持继电器区（ HR）、特殊辅助继电器区（ AR）、暂存继电器区（ TR）、定时器区（ TIM）、计数器区（ CNT）、数据存储器区（ DM）、变址寄存器区（ IR）、数据寄存器区（ DR）、任务标志区（ TK）等。 2.3 PLC 工作原理与组成单元 2.3.1 PLC 的工作原理 PLC是由一种程序控制运行的设备。其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令时，程序运行结束。 PLC运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的

16、程序指令，当执行完最后的指令后并不会马上停止，而是又重头开始再执行存储器中的程序，如此周而复始， PLC的这种 工作 方式称为循环扫描方式。 2.3.2 PLC 的组成单元 PLC 主要由 CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。其组成单元如图 2-1 所示 。 盐城师范学院毕业设计（论文） 4 图 2-1 典型的 PLC 控制系统组成框图 2.4 PLC 的特点 PLC是一种专为工业应用而设计的控制器，它主要有以下特点： 1.可靠性高，抗干扰能力强：为了适应工业应用的要求， PLC从硬件和软件方面采用了大量的技术措施，以便能在恶劣环境下长时间可靠运行，现在大多数 PLC

17、的平均无故障运行时间 可 达几 十 万小时。 2.通用性强，控制程序可变： PLC可利用齐全的各种硬件装置来组成各种控制系统，用户不必自己 再 设计 或者 制作硬件装置。硬件 装置 确定以后， 即使在 生产设备更新 或者生产工艺流程改变 的情况下， 用户也 无需大量改变 PLC硬件设备，只需更改 PLC的 程序就 能满足要求。 3.功能强， 且 适应范围广：现代 PLC不仅有逻辑运算， 顺序控制，定时 、 计数 等功能外 ，还具有 模拟量和数字量 的 输入输出端口 、功率驱动、人机对话、 通信和 自检等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线、又可以控制一个生产过程。 4.编程 简单，易用易学：

18、目前大多数 PLC采用梯形 图编程方式，梯形图语言 的编程元输 入 设 备 输入接口 电源 CPU 输出接口 输 出 设 备 通信接口 存储器 扩展接口 扩展单元 编程器 打印机 人机界面 计算机 其它 PLC 盐城师范学院毕业设计（论文） 5 件符号和表达式方式与继电 控制 的 电路原理图非常相近，这样使大多数工厂企业电气技术人员非常容易接受和掌握。 5.系统设计、调试和维修方便： PLC软件取代 了 大量的 时间 继电器、 中间 继电器、计数器等 继电器控制系统中的 器件， 大大减少了 控制柜 在 设计安装接线 时 工作量。另外， 通过计算机在实验室仿真调试 PLC用户程序，减少了现 场

19、调试 的 工作量。此外，由于 PLC结构模块化及很强的自我诊断能力，维修也极为方便。 3 HMI 概述 本系统设计中使用了威纶通公司的 HMI,所谓 HMI就 是 Human machine interface的缩写。翻译成中文是人机界面，也叫人机接口，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介。HMI是连接可编程控制器（ PLC）、仪表、变频器等 的 工控设备，利用人机界面 可以 实现显示屏 显示功能 ，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）进行工作参数的写入和操作命令的输入，实现人与机器信息交互的数字设备，主要由软件和硬件 两部分 组成。 3.1 HMI 简介 本设计中采用 OMRON NB

20、-Z系列可编程终端 的 NB7W-TW00B-Z。 NB7W-TW00B-Z采用了 7英寸高亮度 16:9 TFT液晶显示屏，具有 很 高的性价比 。由于采用了 LED背光，比传统的 CCFL背光更加环保、更加节能、使用寿命更长。另外它还支持 U盘和 SD卡扩展，能够存储大容量数据，同时 USB还可以连接打印机等外设。 NB-Z系列显示设备（ PT：可编程终端）可用于显示信息及接收输入操作。能以图形形式向用户展示系统和设备的运行状态。开关可置于显示区域，用于将输入信号发送至主设备。显示设备同时可方便操作者快速查看和响应系统或设备中的错误。 3.2 HMI 的基本功能 人机界面具有设备工作状态的

21、显示（文字、按钮、指示灯、曲线、图形等），数据、文字输入操作、打印输出，设备生产 数据记录，简单逻辑和数值运算等功能，且可以连接多种工控设备。 盐城师范学院毕业设计（论文） 6 3.3 HMI 的组成及其工作原理 人机界面由 软件和硬件 两 个 部分组成，硬件部分 由 数据存储器、 处理器、 输入单元、显示单元、通讯接口等 组成 ， 人机界面 的性能高低 取决于 处理器的性能 高低 ， 因此 处理器处于核心地位 。根据 HMI产品等级 的 不同，处理器 的选择有 8位、 16位、 32位 三种 。 人机界面 软件一般分 成 两部分， 分别是 系统软件和 画面 组态软件，其中系统软件 运行于 H

22、MI硬件 ，组态软件 运行于 PC机 Windows操作系统 。使用者必须先用画面组态软件制作 “工程文件 ”，再通过 人机界面 和 PC机 的串行通讯口 （如 RS-232C、 RS-485、以太网等）进行通讯 ， 在 处理器中 下载编制好的“工程文件”，然后 运行 即可 。 4 超级电容 介绍 4.1 超级电容 SOC 的定义 SOC，英文全称 state of charge，是 电池行业用语 标称 荷电状态 或者 剩余容量 。 蓄电池使用 了 一段时间或 者 长期搁置不用后的剩余 容量 与 它 完全 充电 状态的 容量 的比值， 也 常用百分数 来 表示。 SOC=1即表示为电池充满状态

23、。荷电状态 （ SOC） 是标称当前电池容量的状态的参数，是控制蓄电池的重要指标。通过对准确可靠的状态参数进行电池的控制与管理，能够更好地 使用电池组，并且延长使用寿命。 超级电容 也存在 荷电状态 的参数，其含义与 蓄电池 荷电状态 含义一致。 4.2 超级电容的结构 碳电极材料、水合物电极材料、金属氧化物材料以及导电聚合物电极材料是超级电容常用电极材料。 早期的超级电容器的电极采用碳， 其结构图 如图 4-1所示， 碳电极材料的表面积很大， 其中 电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容量值可以非 常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为 1 5000F。超级电容的电解质是超级电容 结构 的核心 部分 ， 一般需要有很高的化学稳定性和较高的导电性，所以一般选用导电性较好的金属和石墨来充当。 电解质材料有两类，一类是有机类， 另 一类是无机类， 还可以将材料 分固态类和液态类 两大类 。我们通常利用使用功率来选择使用固态的、水溶液的或者是有机的电解质。常用的有机电解质隔膜有聚合物或纸，而常用的水溶液电解质有可陶瓷隔膜或玻璃纤维。此外， 超级电