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基于PLC与LABVIEW的燃料电池发动机测试系统设计与应用

内容摘要

随着传统内燃机汽车尾气排放导致的大气污染日益加剧,以及矿物能源的逐渐匮乏,世界各国及各大汽车公司把氢能源的开发作为战略目标，希望采用一种环保、节能和高效的能源来替代目前的矿物能源,以实现汽车尾气的零排放。其中，燃料电池利用氢气和氧气的反应产生电能，产物是无污染的水，是目前世界各国关注的新型清洁能源之一。然而，燃料电池发动机的性能及其测试系统是影响燃料电池电动汽车性能的关键。本文利用西门子PLC（ProgrammableLogicController，简称PLC）的S7-1200数据采集和LABWIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）人机监控软件，研究基于PLC的燃料电池(PEMFC，ProtonExchangeMembraneFuelCell)发动机的测试系统，该系统测试平台实时性、可靠性、稳定性以及人机界面友好性要求较高，可以对燃料电池(PEMFC)发动机的性能进行监视和调整。通过测试平台对燃料电池(PEMFC)发动机的现场测试和评估以及对实验结果的分析，表明本测试平台符合对燃料电池(PEMFC)发动机的测试要求。本燃料电池(PEMFC)发动机测试平台的研制与开发促进了燃料电池电动汽车的发展，有着十分广阔的应用前景。

关键词：西门子PLC；燃料电池发动机；S7-1200；LABVIEW

目录

TOC\o1-3\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外燃料电池发动机测试系统发展现状 5

1.2.2我国燃料电池发动机测试系统发展现状 5

1.3本文的主要内容 6

2燃料电池发动机测试系统的总体设计 6

2.1燃料电池发动机测试系统的生产工艺概述 6

2.2燃料电池发动机系统控制需求分析 7

2.3总体设计方案 10

2.4系统技术参数 15

2.5系统器件选型 17

2.5.1主控PLC选择 17

2.5.2采集模块选择 17

2.5.3测控仪表选择 18

2.5.4变频器选择 19

2.5.5水泵选择 19

2.5.6加热器选择 20

2.5.7阀门选择 21

3系统硬件电气设计 22

3.1系统电路的设计 23

3.1.1系统主电路 23

3.1.2直流电压电源回路 24

3.1.3_PLC_CPU电气接线 22

3.2_PLC的I/O模块设计 23

3.3传感器模块设计 28

3.4控制模块设计 29

4软件程序设计 31

4.1系统控制总体设计 31

4.2各模块的程序设计 34

4.2.1下位机PLC程序 34

4.2.2上位机LABVIEW程序 36

5现场评估测试及测试结果 39

5.1现场评估和测试 39

5.2测试结果 39

6结论 40

参考文献 40

附录 41

1绪论

1.1课题的背景及意义

本设计结合PLC[1]的应用领域及工作实际，选择燃料电池发动机为研究对象，研发一种燃料电池发动机测试系统，具有良好的应用价值和现实意义。

西门子S7-1200系列PLC中，S7-1200控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点。适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。由于控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通信最高标准的通信接口，以及全面集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中，成为制造行业中的创新系统解决方案。

燃料电池(PEMFC)是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置[2]。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。此项技术的供给燃料只有氢气和氧气，他们作用下产生无污染无公害的水。从而基于燃料电池技术发展的燃料电池发动机推动了传统汽车行业进军新能源汽车的新篇章。

针对开展燃料电池发动机测试系统变量优化研究的需要，本文基于西门子S7-1200系列PLC和监控软件设计平台LABVIEW,构建了燃料电池(PEMFC)发动机测试系统[3]。该系统以PLC为底层控制单元，LABVIEW监控程序为主监控单元,通过ModbusTCP/IP和Modbus串口协议实现设备间数据通信与控制交互，底层控制单元将传感器采集的各项燃料电池发动机运行特征参数上传，分析并记录。在此基础上，对时序和控制操作的敏感性要求，实现对燃料电池发动机启停时序控制，尾气处理和温度控制等。此外，系统能够根据实际运行状态在线调整运行参数并且图形化的人机交互界面可实时显示并记录系统运行状态，包括故障和报警信息等。经实验验证，该测试系统运行可靠，