一种将燃料电池作为基站通信电源的plc控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，包括PLC控制器及与其连接的继电器、电磁阀、HMI、气瓶装置、温度传感器、氢气浓度传感器、与蓄电池连接的电流电压传感器、与燃料电池连接的电流电压传感器、与DC/DC变换器连接的电流电压传感器以及排风扇，本实用新型将计算机控制、传感器技术、电力混合应用技术相结合，不仅实现了对电源系统的自动控制，运行状态的实时有效监控，而且经济，合理，符合现代社会节能环保的要求。
【专利说明】一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种利用PLC的控制将燃料电池作为通信基站备用电源，运用现有燃料电池技术和PLC的自动控制将燃料电池应用于通信基站备用电源中。
【背景技术】
[0002]氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气(燃料)和氧气(来自空气)中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。
[0003]燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括:高效率(不受“卡诺循环”的限制)、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。
[0004]通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。
[0005]对于电信服务行业而言，突然的断电或停电可能是灾难性的，燃料电池的技术可提供可靠的电源方案。铅酸蓄电池的缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。
[0006]采用传统的电池技术作为通信基站备用电源存在寿命很难预测、状态很难监控、大规模安装非常笨重等一系列局限。而现有技术中采用燃料电池作为备用电源虽具有延长了寿命、增加了可靠性、实现零污染、降低系统配置成本、安全操作等优点，但对整个系统自动化的控制仍无法实现数据保存、检测、诊断的智能化。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供燃料电池作为基站备用电源的应急系统，通过HMI及时显示整个系统的工作参数和工作状态并保存这些数据，为将来查看数据做好准备，实现整个系统自动化控制的安全操作及智能检测和诊断。
[0008]当继电器检测到市电断电时，HMI日志上显示“市电掉电”于此同时PLC控制器控制电磁阀开启，氢气经管路通过电磁阀供应给燃料电池，燃料电池启动；但燃料电池启动存在启动时间，一般为几秒至十几秒，在这段启动时间内会由蓄电池供给负载；当启动时间过后燃料电池输出稳定电能全部由其供应给负载，此时蓄电池作为补给供应。当周围环境温度升高，PLC接收由温度传感器发出的信号打开排风扇进行降温，使燃料电池工作在合适温度范围内。当PLC由压力传感器检测到气瓶压力过高，会通过HMI显示并分级报警，如当检测到压力大于20MP时，显示报警等级为三级(最高)，通过蜂鸣器及声光报警提示给用户。此系统还具有部件错误诊断功能，如当风扇出现故障时，会用指定错误代码6030的形式传输到HMI，工作人员可通过查询对应代码来检查故障并修复，不必进行整个系统故障的排除，大大提高了工作效率。整个系统的工作数据可通过HMI中的读卡器保存下来，如燃料电池电压、电流、温度、压力等，为以后查询提供便捷。
[0009]实现本发明目的的具体技术方案如下:
[0010]一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，包括PLC控制器及与其连接的继电器、电磁阀、H M 1、气瓶装置、温度传感器、氢气浓度传感器、(温度传感器设于燃料电池上以及燃料电池机柜内、氢气浓度传感器设于燃料电池的机柜内)、与蓄电池连接的电流电压传感器、与燃料电池连接的电流电压传感器、与DC/DC变换器连接的电流电压传感器以及排风扇(排风扇设于燃料电池上和安置燃料电池的机柜中)，所述的PLC控制器设有启动模块、气体压力检测模块、温度控制模块、氢气浓度控制模块以及电流电压控制模块，PLC控制器通过FC控制器与燃料电池相连接，所述的PLC控制器还与氢气电磁阀相连接，所述的氢气电磁阀及电磁阀均设于供气单元与燃料电池之间的供气管路上，气瓶装置上设有气瓶电磁阀和压力传感器，
[0011]所述启动模块与继电器、HM1、供气单元上的电磁阀连接，用于在继电器检测到市电掉电时将该结果传输给HMI并显不，同时打开供气单兀的电磁阀，使氢气经管路通过电磁阀供应给燃料电池；
[0012]所述的气体压力检测模块与气瓶装置及HMI相连接，用于利用压力传感器检测气瓶压力，当气瓶压力大于一定值则打开气瓶电磁阀排出气体，并将信息传送给HMI进行显不并报警，同时关闭氢气电磁阀；
[0013]所述的温度控制模块与温度传感器、排风扇、HMI及氢气电磁阀相连接，用于在温度传感器检测到燃料电池周围环境温度或燃料电池温度升高到一定值时启动排风扇，并根据环境温度、燃料电池温度对排风扇的转速进行反馈调节，当燃料电池温度高于设定值时通过F C控制器关闭氢气电磁阀并将整个过程的数据传输给HMI进行记录；
[0014]所述的氢气浓度控制模块与氢气浓度传感器、排风扇、HMI及氢气电磁阀相连接，用于根据氢气浓度传感器检测到的泄露氢气的浓度控制排风扇的转速排出氢气，并在氢气浓度高于一定值时关闭氢气电磁阀，并将整个过程的数据传输给HMI进行记录；
[0015]所述的电流电压控制模块同与蓄电池连接的电流电压传感器、与燃料电池连接的电流电压传感器、与DC/DC变换器连接的电流电压传感器及HMI相连接，用于实时传输蓄电池、燃料电池及DC/DC变换器上的电流、电压数据给HMI进行记录以及检测蓄电池、燃料电池及DC/DC变换器上的电流、电压是否超出设定范围，若超出设定范围则将相应的错误代码发送给HMI进行显示；
[0016]所述的PLC控制器还可设有气瓶转换模块，用于检测正在给燃料电池供气的第一气瓶的气瓶压力，当第一气瓶的气瓶压力小于一定值时关闭第一气瓶，启动第二气瓶。
[0017]所述的PLC控制器还可设有排风扇故障模块，其分别与排风扇及HMI连接，用于在排风扇出现故障时将相应的错误代码发送给HMI进行显示。
[0018]所述的HMI与PLC控制器可通过以太网连接。[0019]所述的HMI与PLC控制器可通过GPRS模块通讯。
[0020]所述的HM I上可设有电磁阀控制开关、FC控制器开关、排风扇控制开关、报警器控制开关，连接P L C控制器相应的手动控制模块，用于手动控制相应设备的开启和关闭。
[0021]和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括:
[0022]适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32°C或更高，这样每年可节约大量空调电费。只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。重量轻，不需特殊的承重处理。占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如:当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。
[0023]与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是:
[0024]自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。
[0025]氢燃料电池与普通电池的区别主要在于:干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。
[0026]本实用新型相比于现有技术中的燃料电池作为通信基站中的控制系统，通过HMI可保存系统的工作参数和工作状态的数据，能实现自动检测、自诊断并修复等智能化控制。当出现故障，工作人员可通过远程输入的方式解决问题，而不必亲自到现场去维护，不仅提高了工作效率，更能及时、快速、安全的将故障清除。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为燃料电池启动程序框图；
[0028]图2为燃料电池故障程序框图；
[0029]图3为本实用新型硬件示意图；
[0030]图4为本实用新型原理示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0032]图1中显示的HMI与PLC控制器的以太网口连接可方便用户及时查看到电压、电流、温度、压力和系统部分元器件的工作状态及各种故障提示。当交流电继电器检测到市电断电时,HMI日志上显不“市电掉电”于此同时PLC控制器控制气瓶的氢气电磁阀开启，氢气通过电磁阀被送至燃料电池中，此时PLC会自动检测气体压力是否正常，若故障则进行关机报警并打开排气阀；若正常，燃料电池启动，其电压电流可通过HMI显示给用户查看。在燃料电池的启动时间内由蓄电池供应全额负载，当燃料电池输出稳定电能后由其供给，并由蓄电池补给；若燃料电池启动超过三次，则PLC控制器进入保护模式，燃料电池停止工作需断电恢复来解决。
[0033]燃料电池的状态可分为初始化、上电、等待、开始、运行、关闭等几种模式，当处于运行状态时，若压力传感器检测到气瓶I的压力低于2MP可以延时3秒自动切换到气瓶2使其供应整个系统，实现氢气瓶的自动切换。当压力传感器检测到气瓶压力过高，会通过HMI显示分级报警，如当检测到压力大于20MP时，显示报警等级为三级(最高)，通过蜂鸣器及声光报警提示给用户，当用户处理完报警故障，可通过HMI上的设置关闭蜂鸣器的鸣叫。
[0034]硬件图中DCDC通信电源的功能是将燃料电池输出的不稳定电压转换为稳定的电压供给蓄电池、开关电源和排风扇等，同时也能实现远程控制。系统设备出现异常情况时，监控系统会出现报警提示，维修人员不必亲自到现场，利用远程输入数据方式可对部分异常情况进行及时处理，能及时、快速、安全的将故障清除。
[0035]硬件图中FC控制器(燃料电池控制器)的作用是控制进气电磁阀和排气电磁阀的开启和关闭，也能实现过压、欠压、短路、激活等作用。它只针对燃料电池的控制，不对整个系统有控制作用。
[0036]若周围环境温度升高至50°C时，PLC接收由温度传感器发出的信号打开排风扇I(排风扇有多个，这个是机柜散热风扇)自动进行降温，使燃料电池工作在合适温度范围内。当温度升高风扇的转速可通过温度传感器的反馈实现自动调节。在整个系统中，若氢气发生泄漏，氢气浓度传感器根据泄漏氢气的浓度实现PLC控制排风扇不同转速的运行。
[0037]在HMI的使用中，可利用趋势图将相关电压、电流用曲线表示出来，方便用户查看整个数据的走势；对整个系统的报警和部件工作状态(燃料电池、排风扇等)可利用事件显示将重要信息记录下来，方便用户准确及时的了解当前工作状态；使用SD卡可将用户关心数据、信息都保存下来，如若出现故障，方便追溯故障状态。
[0038]此系统还具有部件错误诊断功能，如当风扇出现故障时，会用指定错误代码如6030的形式传输到HMI并显示出，工作人员可通过查询对应指定代码来检查故障并修复，不必进行整个系统故障的排除，大大提高了工作效率。当蓄电池过载、过压欠压等，PLC控制器通过电压电流传感器会自动检测到蓄电池的异常信息反馈到HMI人机界面上并出现错误代码，这时蓄电池自带的电池管理系统BMS能进行诊断并修复，实现智能化的控制。
[0039]整个系统的实时工作数据可通过与PLC控制器连接的HMI显示出，PLC控制器通过采集电流电压传感器的数据进行模数转换并做相应的计算，将实数转换为整数后显示在HMI中供用户查看，并将数据在HMI中的读卡器保存下来，为以后查询提供便捷。如燃料电池的电压、电流、功率及系统压力、温度、开关量的启动关闭、报警提示等都可通过RS232/485通讯模块显示给用户查看并设置，通过GPRS模块与上位机可实现远程通讯。同时HMI可设置系统中部分元器件的状态，如上所述HMI与PLC通过以太网连接，HMI给出信号告诉PLC，PLC执行程序并控制所需动作元器件，实现自动与手动双重控制，如可通过HMI手动打开排风扇。
[0040]本实用新型将计算机控制、传感器技术、电力混合应用技术相结合，不仅实现了对电源系统的自动控制，运行状态的实时有效监控，而且经济，合理，符合现代社会节能环保的要求。
【权利要求】
1.一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：包括PLC控制器及与其连接的继电器、电磁阀、HMI、气瓶装置、温度传感器、氢气浓度传感器、与蓄电池连接的电流电压传感器、与燃料电池连接的电流电压传感器、与DC/DC变换器连接的电流电压传感器以及排风扇，所述的PLC控制器设有启动模块、气体压力检测模块、温度控制模块、氢气浓度控制模块以及电流电压控制模块，PLC控制器通过FC控制器与燃料电池相连接，所述的PLC控制器还与氢气电磁阀相连接，所述的氢气电磁阀及电磁阀均设于供气单元与燃料电池之间的供气管路上，气瓶装置上设有气瓶电磁阀和压力传感器， 所述启动模块与继电器、HMI、供气单元上的电磁阀连接，用于在继电器检测到市电掉电时将该结果传输给HMI并显不，同时打开供气单兀的电磁阀； 所述的气体压力检测模块与气瓶装置及HMI相连接，用于利用压力传感器检测气瓶压力，当气瓶压力大于一定值则打开气瓶电磁阀排出气体，并将信息传送给HMI进行显不并报警，同时关闭氢气电磁阀； 所述的温度控制模块与温度传感器、排风扇、HMI及氢气电磁阀相连接，用于在温度传感器检测到燃料电池周围环境温度或燃料电池温度升高到一定值时启动排风扇，并根据环境温度、燃料电池温度对排风扇的转速进行反馈调节，当燃料电池温度高于设定值时通过F C控制器关闭氢气电磁阀并将整个过程的数据传输给HMI进行记录； 所述的氢气浓度控制模块与氢气浓度传感器、排风扇、HMI及氢气电磁阀相连接,用于根据氢气浓度传感器检测到的泄露氢气的浓度控制排风扇的转速排出氢气，并在氢气浓度高于一定值时关闭氢气电磁阀，并将整个过程的数据传输给HMI进行记录； 所述的电流电压控制模块同与蓄电池连接的电流电压传感器、与燃料电池连接的电流电压传感器、与DC/DC变换器连接的电流电压传感器及HMI相连接，用于实时传输蓄电池、燃料电池及DC/DC变换器上的电流、电压数据给HMI进行记录以及检测蓄电池、燃料电池及DC/DC变换器上的电流、电压是否超出设定范围，若超出设定范围则将相应的错误代码发送给HMI进行显示。
2.根据权利要求I所述的一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：所述的PLC控制器还设有气瓶转换模块，用于检测正在给燃料电池供气的第一气瓶的气瓶压力，当第一气瓶的气瓶压力小于一定值时关闭第一气瓶，启动第二气瓶。
3.根据权利要求I所述的一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：所述的PLC控制器还设有排风扇故障模块，其分别与排风扇及HMI连接，用于在排风扇出现故障时将相应的错误代码发送给HMI进行显示。
4.根据权利要求I所述的一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：所述的HMI与PLC控制器通过以太网连接。
5.根据权利要求I所述的一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：所述的HMI与PLC控制器通过GPRS模块通讯。
6.根据权利要求I所述的一种将燃料电池作为基站通信电源的PLC控制系统，其特征在于：所述的HMI上设有电磁阀控制开关、FC控制器开关、排风扇控制开关、报警器控制开关，连接PLC控制器相应的手动控制模块，用于手动控制相应设备的开启和关闭。
【文档编号】G05D27/02GK203573191SQ201320708899
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】张晶, 黄波, 邵孟, 吴曌慧, 朱新坚, 王纪忠 申请人:江苏超洁绿色能源科技有限公司