专利名称：基于plc的钒液流电池控制系统和控制方法及其控制设备的制作方法
技术领域：
本发明属于钒液流电池技术领域，尤其涉及一种基于PLC的钒液流电池控制系统和控制方法，以及一种钒液流电池系统的控制设备。
背景技术：
目前，钒液流电池是大容量蓄电池领域最新型的技术之一，需要依靠循环泵的动力运行，并对一些关键参数进行监控。但是，这些传统的循环泵控制系统基本上以继电器为主要控制元件，由几十个各类型继电器、接触器、开关、按钮及连线组成逻辑控制单元对循环泵进行控制，并且工艺系统循环泵的典型配置数目为正负极各一台，而不是由多台循环泵构成循环泵组，这类控制系统存在以下问题(1)由于控制系统包含了大量的继电器、接触器元件及其连接线，在工作工程中，继电器、接触器的频繁启动/停止，极易造成损坏最终导致无法正常工作，控制系统稳定性和可靠性较差，而且一旦出现运行故障时，由于接线复杂，判断造成故障原因困难，维修难度大，严重影响工艺系统的安全运行；(2)这类控制方式只能对泵的启动/停止进行一些简单的顺序控制，功能单一，难以实现钒液流电池一些特殊工艺所必须的参数的调整，不能很好的适应各种运行工况的要求；(3)这类控制系统不具有可视化的操作提示，操作控制复杂、处理速度较慢，尤其是状态转换时间较长，大大造成工作效率低下；(4)这类控制系统不具有灵活的远程监控方式，难以实现远程监控和远程维护；(5)这类控制系统没有故障的自动诊断和恢复功能，难以避免故障的误判、漏判，使得系统可靠性低，难以实现无人值守。
发明内容为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种运行稳定、操作便捷、应用灵活、维护方便的基于PLC的钒液流电池高可靠性控制系统和控制方法，以及一种内部温度均勻、性能稳定且外观美观的钒液流电池系统的控制设备。本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为一种基于PLC的钒液流电池控制系统，包括有相互导通连接的钒液流电池工艺系统和控制设备，所述控制设备包括有交流电源配置单元、直流电源配置单元、离子浓度计量单元、人机接口单元、控制单元、信号变送模块组和动力变频单元；其中，所述交流电源配置单元与所述直流电源配置单元、离子浓度计量单元、控制单元和动力变频单元导通连接，并供给工作所需交流电源；所述直流电源配置单元与所述人机接口单元和信号变送模块组导通连接，并供给工作所需直流电源；所述离子浓度计量单元与所述钒液流电池工艺系统导通连接，并对其所设的钒液流电池系统的电量进行实时监测，并将监测结果传送至所述控制单元；所述控制单元与所述人机接口单元和信号变送模块组导通连接，并对所述离子浓度计量单元通过信号变送模块组传送过来的离子浓度信号和所述钒液流电池工艺系统的其它信号进行计算，并将计算结果送至所述人机接口单元的显示装置上显示，同时接受所述人机接口单元传送过来的操作命令，并将计算结果和/或操作命令送至所述信号变送模块组；所述信号变送模块组与所述动力变频单元导通连接，并与所述动力变频单元进行信号交互和运行控制，所述动力变频单元与通过所述信号变送模块组传送过来的频率指令信号控制所述钒液流电池工艺系统的循环泵组进行调速运行；所述控制单元包括有互为热备冗余的高稳定性的第一 PLC模块组和第二 PLC模块组，并以光纤连接；所述信号变送模块组包括有第一 I/O模块组、第二 I/O模块组和电压隔离传感器组，所述第一 I/O模块组和第二 I/O模块组分别与所述第一 PLC模块组和第二 PLC 模块组导通连接；所述交流电源配置单元包括有第一转换开关前面板、第二转换开关前面板、第一转换开关控制器、第二转换开关控制器，以及相应供电回路的断路保护器，所述第一 PLC模块组、第一 I/O模块组与所述第一转换开关前面板和第一转换开关控制器导通连接，所述第二 PLC模块组、第二 I/O模块组与所述第二转换开关前面板和第二转换开关控制器导通连接；所述直流电源配置单元包括有第一直流电源模块和第二直流电源模块，以及相应供电回路的断路保护器；所述动力变频单元是一变频器组，所述变频器组包括有第一正极变频器、第一负极变频器、第二正极变频器、第二负极变频器、第三正极变频器、第三负极变频器，并分别与所述钒液流电池工艺系统中循环泵组的6台循环泵逐一对应导通连接，而且所述第一正极变频器、第一负极变频器、第二正极变频器、第二负极变频器与第一 I/O模块组导通相连，第三正极变频器、第三负极变频器与第二组I/O模块组导通相连；所述电压隔离传感器组由12块电压隔离传感器组成，所述第一直流电源模块对第一 I/O模块组、电压隔离传感器组中奇数号电压隔离传感器、人机接口单元的显示装置及第一 I/O模块组部分端子模块供给直流电源；所述第二直流电源模块给第二 I/O模块组、电压隔离传感器组中偶数号电压隔离传感器及第二 I/O模块组部分端子模块供给直流电源；所述PLC模块组包括有以太网模块，所述控制单元通过所述以太网模块与所述人机接口单元的远程监控上位机相连，实现远程监控、维护；所述控制设备包括有第一回路电源和第二回路电源，其中，第一回路电源为第一外线电源和第二外线电源经所述断路保护器进入第一转换开关，再所述经断路保护器对所述第一正极变频器、第一负极变频器、第二正极变频器、第二负极变频器、第一 PLC模块组、 第一直流电源模块、氧化极离子浓度计进行供电；第二回路电源为第三外线电源和第四外线电源经断路保护器进入第二转换开关，再经所述断路保护器对所述第三正极变频器、 第三负极变频器、第二 PLC模块组、第二直流电源模块、还原极离子浓度计进行供电；所述触摸屏为人机接口单元，其操作界面设有手动/自动切换按钮、手动/自动指示灯、允许/取消报警按钮、报警指示灯、充电/放电按钮、充电/放电指示灯、循环泵组的启停和运行状态显示组、变频器的启停和运行状态显示组。一种用于实现所述的基于PLC的钒液流电池控制系统的控制设备是一控制拒，包括有正面前屏和背面后屏两部分，所述正面前屏内由上至下、由左至右依次设置有所述第一转换开关前面板、第二转换开关前面板、氧化极离子浓度计、触摸屏、还原极离子浓度计、 第一 PLC模块组、第二 PLC模块组、第一直流电源模块、第一 I/O模块组、第二直流电源模块和第二 I/O模块组，所述背面后屏内由上至下、由左至右依次设置有所述第一转换开关控制器、第二转换开关控制器、断路保护器、变频器组和电压隔离传感器组，所述断路保护器设于第一转换开关控制器、第二转换开关控制器两侧，所述断路保护器位于第二转换开关控制器下方，所述变频器组从右至左，从上至下的排列顺序为所述第一正极变频器、第一负极变频器、第二正极变频器、第二负极变频器、第三正极变频器、第三负极变频器。一种基于PLC的钒液流电池控制系统的控制方法，通过所述控制设备的人机接口单元设置和监视所述钒液流电池工艺系统的工艺参数，掌握其运行状况，并通过控制单元对离子浓度计量单元传送过来的离子浓度信号和所述人机接口单元传送过的频率设置操作命令经过逻辑运算计算出所述动力控制单元的频率指令，对所述动力控制单元进行自动调速运行控制，最终实现对钒液流电池工艺系统的循环泵组进行充放电和待机全过程高可靠性调速控制；所述动力变频单元频率指令的计算公式为频率指令=变频器手动设置值+控制方法计算值，其中，所述控制方法计算值=PID (60-变频器手动设置值)，所述PID表示ISA 标准比例积分微分算法，且当存在充放电信号时所述控制方法计算值有效，并且当充放电过程结束时所述控制方法计算值为0 ；所述循环泵组的运行参数，通过在所述控制设备上进行设定，使所述循环泵组进行自动无间隔切换运行；包括有自动模式，所述自动模式包括有以下步骤首先，判断系统是否有循环泵在运行，如果有，则判断是否到了指定的运行时间，如果到了指定运行时间，则启动下一台循环泵并停止上一台循环泵；如果不能正常启停，则发出故障信号，并跳过该台循环泵，自动切换至下一台；如果某循环泵组全部故障，则自动停止整个工艺系统的运行；所述自动模式在启动循环泵或者无间隔切换运行所述循环泵组时还包括有循环泵是否启动成功的判断和故障信息的记录，以及所述循环泵组的正极或负极循环泵是否全故障的判断和是否允许报警的判断；还至少包括有就地模式、远程模式和调试模式中的一种，系统上电运行时或掉电自恢复工作时将进入自动模式，需要进入其它模式时需要人工切换。本发明的通过上述技术方案，对控制系统电源回路、PLC模块组、I/O模块组、信号变送模块组和动力变频单元进行分组独立设计，实现了全系统热备冗余，极大地提高了系统的稳定性和可靠性，而且通过PLC模块组的以太网模块实现远程监控、维护，操作更方便、灵活；同时，本控制系统对钒液流电池工艺系统运行状况进行实时监测，并具有自我诊断和恢复功能，有效避免故障的误判、漏判，进一步提升了系统可靠性和可用性，可以真正实现无人值守；而且通过可视化触摸屏调整参数即可实现钒液流电池一些特殊工艺，很好的适应各种运行工况的要求，操作界面简单、快捷，即使进行状态转换也绝不会任何耽误， 完全不影响工作效率；再加上，本控制系统最多可外接四路220VAC交流电源，用电方式非常灵活，且因为采用两个双电源转换开关，从而还具有相当高的电源可靠性。本控制系统的控制方法最大程度保障设备安全，而且多种故障情况下控制系统本身仍然可以自动运行、 报警，控制方法可靠性高，系统启动后可无人操作或者远程监控，极大地提高了钒液流电池的可用性。另外，实现所述的基于PLC的钒液流电池控制系统的控制设备是一控制柜，其正面前屏和背面后屏内部设备的设置，不仅使控制柜内温度分布均勻，不会导致局部超温，不会影响系统运行，不会导致部分设备过早老化，而且可最大程度减少了控制柜内各种设备的相互电磁干扰，系统更稳定，还具有美观性。
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图1是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的结构原理图；图2是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的控制柜正面前屏的结构示意图；图3是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的控制柜背面后屏结构示意图；图4是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的交流电源的结构示意图；图5是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的直流电源的结构示意图；图6是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的人机接口操作界面的示意图；图7是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的控制方法的运行模式切换控制的流程图；图8是本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的控制方法中自动模式的流程图。
具体实施方式以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明。请参阅说明书附1-6。图中钒液流电池工艺系统1、控制设备2、交流电源配置单元21 (第一转换开关前面板211、第二转换开关前面板212、第一转换开关控制器213、第二转换开关控制器214、断路保护器21 、直流电源配置单元22(第一直流电源模块221、第二直流电源模块222、断路保护器223)、离子浓度计量单元23 (氧化极离子浓度计231、还原极离子浓度计23 、人机接口单元24 (触摸屏Ml)、控制单元25(第一 PLC模块组251、第二 PLC模块组25 、信号变送模块组沈(第一 I/O模块组、第二 I/O模块组沈2、电压隔离传感器组沈；3)和动力变频单元27 (第一正极变频器271、第一负极变频器272、第二正极变频器273、第二负极变频器274、第三正极变频器275、第三负极变频器276)。如图1中所示本发明提供了一种基于PLC的钒液流电池控制系统，包括有相互导通连接的钒液流电池工艺系统1和控制设备2 ；钒液流电池工艺系统1包括有钒液流电池系统、就地测量仪表、循环泵(图中均未表示出来)；控制设备2是一控制柜，其内设置有交流电源配置单元21、直流电源配置单元22、离子浓度计量单元23、人机接口单元M、控制单元25、信号变送模块组沈和动力变频单元27。其中，交流电源配置单元21主要用于向与其导通连接的直流电源配置单元22、离子浓度计量单元23、控制单元25和动力变频单元27供给正常工作所需交流电源；直流电源配置单元22主要用于向与其导通连接的人机接口单元M和信号变送模块组26供给正常工作所需直流电源；离子浓度计量单元23与所述钒液流电池工艺系统1连接，并对其所设的钒液流电池系统的电量进行实时监测，并将监测结果传送至控制单元25 ；控制单元25主要用于对离子浓度计量单元23通过信号变送模块组沈传送过来的离子浓度信号和钒液流电池工艺系统1的其它信号进行计算，并将计算结果送至人机接口单元M的显示装置上显示，并接受人机接口单元M传送过的操作命令，同时也将计算结果和/或操作命令送至信号变送模块组沈，与动力变频单元27进行信号交互和控制动力变频单元27的运行；动力变频单元27可以是变频器，其通过人机接口单元M传送过来的频率指令信号控制钒液流电池工艺系统1的循环泵进行调速运行。本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的基本工作原理为首先，离子浓度计量单元23监测钒液流电池系统的电量，低于某一值时充电，高于某一值时表示充满，即停止充电，本控制系统处于浮充状态；同时，离子浓度计量单元23将监测的钒液离子浓度信号和钒液流电池工艺系统1的其它信号均通过信号变送模块组26传送至控制单元25进行计算；然后，控制单元25将计算结果传送至人机接口 M进行显示，以及传送至信号变送模块组26与动力变频单元27进行信号交互；接着，使用者可根据显示的计算结果从人机接口 M端输入操作命令，并传送至控制单元25 ；最后，控制单元25按照该操作命令经信号变送模块组沈对动力变频单元27进行调速运行控制。如图2、图3中所示本发明所述的一种基于PLC的钒液流电池控制系统的控制设备2是一控制柜，该控制拒2内设置有交流电源配置单元21、直流电源配置单元22、离子浓度计量单元23、人机接口单元对、控制单元25、信号变送模块组沈和动力变频单元27。其中，交流电源配置单元21包括两套双电源转换开关的前面板和控制器(即第一转换开关前面板211、第二转换开关前面板212、第一转换开关控制器213、第二转换开关控制器214)，以及相应供电回路的断路保护器215 ；直流电源配置单元22包括有第一直流电源模块(MVDC) 221和第二直流电源模块(MVDC) 222，以及相应供电回路的断路保护器223 ；离子浓度计量单元23包括有氧化极离子浓度计231和还原极离子浓度计232 ；人机接口单元M包括有一触摸屏(如 GE通用电气QucikPanel系列)Ml，操作人员可以方便的对钒液流电池工艺系统1内部状态进行监视和控制，实现泵的任意启停，操作方法简单可靠；控制单元25包括有两套互为热备冗余的高稳定性的PLC主系统，即第一 PLC模块组(如GE通用电气RX3i系列)251和第二 PLC模块组252，并以光纤连接，极大地提高了本控制系统的稳定性和可靠性；信号变送模块组沈包括有第一 I/O模块组(如GE通用电气VersaMax系列)、第二 I/O模块组262和电压隔离传感器组沈3，第一 I/O模块组261和第二 I/O模块组262分别以屏蔽电缆(通信总线)与第一 PLC模块组251和第二 PLC模块组252导通连接；动力变频单元 27是一变频器组，包括有第一正极变频器271、第一负极变频器272、第二正极变频器273、 第二负极变频器274、第三正极变频器275和第三负极变频器276，并分别与钒液流电池工艺系统1中由6台正极/负极循环泵组成的循环泵组导通连接，即第一正极变频器271、第二正极变频器273和第三正极变频器275分别与三台正极循环泵导通连接，第一负极变频器272、第二负极变频器274和第三负极变频器276分别与三台负极循环泵导通连接。两组 PLC模块组(251、25幻和两组I/O模块组(沈1、沈幻分别与两套双电源转换开关的前面板 (211,212)和控制器(213、214)连接，并完成供电，即第一 PLC模块组251、第一 I/O模块组 261与第一转换开关前面板211和第一转换开关控制器213导通连接，第二PLC模块组252、 第二 I/O模块组262与第二转换开关前面板212和第二转换开关控制器214导通连接。第一正极变频器271，第一负极变频器272，第二正极变频器273，第二负极变频器274与第一 I/O模块组261导通相连，第三正极变频器275，第三负极变频器276与第二组I/O模块组 262导通相连。本控制拒2包括有正面前屏2A和背面后屏2B两部分。其中，正面前屏2A内由上至下、由左至右依次设置有第一转换开关前面板211、第二转换开关前面板212、氧化极离子浓度计231、触摸屏(HMI触摸屏)241、还原极离子浓度计232、第一 PLC模块组251、第二 PLC模块组252、第一直流电源模块221、第一 I/O模块组沈1、第二直流电源模块222和第二 I/O模块组沈2。其中，第一转换开关前面板211、第二转换开关前面板212均为STS (Static Transfer Switch)双电源转换开关前面板；PLC模块组的模块依次包括有电源模块(如GE IC695PAS040)、CPU模块(如IC695CRU32)、数据同步模块(如IC695RMX128)、以太网模块 (如IC695ETM001)和总线控制器模块(如Genius IC694BEM331)；第一 I/O模块组依次包括有总线接口模块(如Genius IC200GBI001)、电源模块(如IC200PWR002)、MDD844模块、ALG620模块、ALG320模块、第一 ALG260模块、第二 ALG260模块，第二 I/O模块组沈2的模块依次包括有总线接口模块(如Genius IC200GBI001)、电源模块(如IC200PWR002)、 MDD844模块、ALG320模块、第一 ALG260模块、第二 ALG260模块；控制单元25通过PLC模块组的以太网模块与远程监控上位机相连，可实现远程监控、维护，操作更方便、灵活。背面后屏2B内由上至下、由左至右依次设置有第一转换开关控制器213、第二转换开关控制器214、断路保护器015、223)、变频器组27和电压隔离传感器组沈3。其中，第一转换开关控制器213和第二转换开关控制器214均为与第一转换开关前面板213、第二转换开关前面板214相适配的STSGtatic Transfer Switch)双电源转换开关控制器；断路保护器 215设于第一转换开关控制器213、第二转换开关控制器214两侧；断路保护器223位于第二转换开关控制器214下方；电压隔离传感器组沈3由12块电压隔离传感器组成；变频器组27包括有6台变频器(如施耐德ATV312H系列)，从右至左，从上至下的排列顺序为第一正极变频器271、第一负极变频器272、第二正极变频器273、第二负极变频器274、第三正极变频器275、第三负极变频器276。这样，不仅使控制柜内温度分布均勻，不会导致局部超温，不会影响系统运行，不会导致部分设备过早老化，而且可最大程度减少控制柜内各种设备的相互电磁干扰，系统更稳定，还具有美观性。当然，所述第一转换开关前面板211与第二转换开关前面板212之间、所述第一转换开关控制器213与第二转换开关控制器214之间、所述断路保护器215与断路保护器223 之间可互调位置，控制柜内温度分布效果同样很好，且也互不干扰，系统也稳定。所述变频器组27包括的变频器数量与所述钒液流电池工艺系统1中循环泵组的循环泵数量一致。如图4中所示本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的控制设备2包括有第一回路电源和第二回路电源。其中，第一回路电源为第一外线电源和第二外线电源经断路保护器215进入第一转换开关(即第一转换开关前面板211和第一转换开关控制器213)，再经断路保护器223对第一正极变频器271、第一负极变频器272、第二正极变频器273、第二负极变频器
274、第一PLC模块组251、第一直流电源模块221、氧化极离子浓度计231进行供电。第二回路电源为第三外线电源和第四外线电源经断路保护器215进入第二转换开关(即第二转换开关前面板212和第二转换开关控制器214)，再经断路保护器223对第三正极变频器
275、第三负极变频器276、第二PLC模块组252、第二直流电源模块222、还原极离子浓度计 232进行供电。这样，本控制系统最多可外接四路220VAC交流电源，用电方式非常灵活，且因为采用两个双电源转换开关，从而还具有相当高的电源可靠性。如图5中所示
本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的直流电源配置单元(MVDC) 22的第一直流电源模块221对第一 I/O模块组(即电源模块、MDD844模块、ALG320模块)、电压隔离传感器组263中奇数号电压隔离传感器、HMI触摸屏241及第一 I/O模块组部分端子模块供给直流电源；第二直流电源模块222给第二 I/O模块组262 (即电源模块、MDD844 模块、ALG320模块)、电压隔离传感器组沈3中偶数号电压隔离传感器及第二 I/O模块组 262部分端子模块供给直流电源。如图6中所示本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统的触摸屏Ml的操作界面从右至左、 从上至下设置有手动/自动切换按钮、手动或自动指示灯、允许/取消报警按钮、报警指示灯、充电/放电按钮、充电或放电指示灯、泵的启停和运行状态显示组、变频器的启停和运行状态显示组。本发明所述控制系统上电运行时或掉电自恢复工作时，系统状态均进入自动状态，触摸屏241界面上各指示灯和数值的显示功能处于运行状态，即手动或自动指示灯显示“自动”，报警功能处于允许状态，报警指示灯显示“报警”，充电或放电指示灯显示为上一次“充电”或“放电”状态，可按“充电/放电”按钮进行切换。同时，钒液流电池工艺系统1 将启动其中一组或依次启动循环泵组中的循环泵(即与第一正极变频器271、第二正极变频器273或第三正极变频器275连接的正极循环泵和与第一负极变频器272、第二负极变频器274或第三负极变频器276连接的负极循环泵)，操作界面上的泵的启停和运行状态显示组、变频器的启停和运行状态显示组即显示相应状态的指示灯，变频器根据触摸屏241 上设置的变频器频率指令信号和控制系统(控制单元2 计算结果(频率值)控制循环泵进行调速运行；而且本控制系统对钒液流电池工艺系统1运行状况进行实时监测，当检测到任一台循环泵发生故障、停止，系统即时自动发出故障报警信号和在触摸屏显示或显示在远程监控系统上，并且系统将自动按顺序启动运行下一台循环泵，有效避免故障的误判、 漏判，系统可靠性更高，可以真正实现无人值守。所述变频器频率指令的计算公式为频率指令=变频器手动设置值+控制方法计算值，其中，控制方法计算值=PID (60-变频器手动设置值)，PID表示ISA标准比例积分微分算法，且当存在充放电信号时控制方法计算值有效，并且当充放电过程结束时控制方法计算值为0，变频器手动设置值的典型值为15。另外，本控制系统自动状态下无法对触摸屏241上手动/自动切换按钮外的其他按键进行操作，必须按手动/自动切换按钮，切换至手动状态后，手动或自动指示灯显示为 “手动”，方可进行允许/取消报警、启停任一台循环泵、手动充电/放电、设定变频器频率指令值等功能操作。这样，即可通过调整参数实现钒液流电池一些特殊工艺，很好的适应各种运行工况的要求，而且可视化的操作界面简单、快捷，即使进行状态转换也绝不会任何耽误，完全不影响工作效率。如图7中所示本发明所述的基于PLC的钒液流电池控制系统的控制方法包括有自动模式、就地模式、远程模式和调试模式四种运行模式，本控制系统上电运行时或掉电自恢复工作时自动执行运行模式的切换控制，即对运行模式进行逐一判断，具体包括以下步骤步骤AlOO 判断是否就地模式？ “是”则执行步骤A200，“否”则执行步骤A300 ；步骤A200 通过人机接口 M进行手工操作，操作结束后执行步骤AlOO ；
步骤A300 判断是否远程模式？ “是”则执行步骤A200，“否”则执行步骤A400 ；步骤A400 判断是否调试模式？ “是”则执行步骤A200，“否”则执行步骤A500 ；步骤A500 进行入默认的自动模式，并结束运行模式切换程序。由于本控制系统一经上电即自动运行，在调试期为避免自动运行带来的破坏，本系统的控制方法提供一个调试接点，调试开始时可闭合该调试接点，使系统进入调试模式， 调试模式时系统处于手动运行状态。为确保安全，也可在调试开始前切断有关变频器电源， 经过与人机接口 M连接的触摸屏Ml、远程操作或调试模式切换到手动运行方式后才会手动运行。当然，对于运行模式切换控制中对就地模式、远程模式和调试模式的判断顺序还可进行调换；进行自动模式后，操作人员也可通过与人机接口 24连接的触摸屏241或远程监控上位机对运行模式进行手动/自动切换，并进行手动操作；而且在调试模式下，除了可通过人机接口 M进行手动操作外，还可通过编程软件进行调试。如图8中所示本发明所述基于PLC的钒液流电池控制系统执行步骤A500进行自动模式后，系统运行的控制方法包括以下步骤步骤A5001 判断是否有泵在运行？ “是”则执行步骤A5002，“否”则执行步骤 A5010的泵启动；步骤A5002 判断是否到下一台泵运行时间？ “是”则执行步骤A5003，“否”则执行步骤A5001 ；步骤A5003 启动该下一台泵，并执行步骤A5004 ；步骤A5004 判断是否启动成功？ “是”则停止上一台泵，并执行步骤A5001，“否” 则执行步骤A5005 ；步骤A5005 记录故障信息，并执行步骤A5006 ；步骤A5006 判断单极是否全故障？ “是”则执行步骤A5007和步骤A5008，“否” 则执行步骤A5001 ；步骤A5007 判断是否到单极全故障判断次数？ “是”则执行步骤A5008和步骤 A5009，“否”则执行步骤A5001 ；步骤A5008 判断是否允许报警？ “是”则执行故障报警；步骤A5009 停止全系统，并结束程序。其中，步骤A5010泵启动的控制方法包括以下步骤步骤A5011 启动第一循环泵组(即第一正极循环泵和第一负极循环泵)，并执行步骤A5012 ；步骤A5012 判断第一循环泵组是否启动成功？是则执行步骤A5001，否则执行步骤 A5013 ；步骤A5013 启动第二循环泵组(即第二正极循环泵和第二负极循环泵)，并执行步骤A5014 ；步骤A5014 判断第二循环泵组是否启动成功？是则执行步骤A5001，否则执行步骤A5015 ；步骤A5015 启动第三循环泵组(即第三正极循环泵和第三负极循环泵)，并执行步骤A5016 ；步骤A5016 判断第三循环泵组是否启动成功？是则执行步骤A5001，否则执行步骤 A5005。该自动模式的控制方法在钒液流电池系统正常运行期间，使正负极三台循环泵组自动无间隔切换运行，每台泵运行时间由操作人员事先设定。任意一台泵及其相应控制回路和电气回路有故障时，自动依序切换到下一台泵继续运行，并且对故障信号进行循环检测，从而避免故障误报。当同时存在两个回路故障时，该方法自动选择正常的回路运行。当工艺系统或控制系统单侧(正极或负极)全部控制回路因故障过多而无法正常运行时，控制系统自动停止全部工艺系统的运行(也可通过触摸屏241或远程监控上位机进行操控)， 从而限制工艺系统的故障范围，最大程度保障设备安全。而且，多种故障情况下控制系统本身仍然可以自动运行、报警，控制方法可靠性高，系统启动后可无人操作或者远程监控，极大地提高了钒液流电池的可用性。当然，本系统中的循环泵组的循环泵数量可做适当的增加或减少，相应地，所述 A5010泵启动的控制方法的步骤(启动泵和判断是否启动成功)也应做相应的增加或减少。以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
1权利要求
1.一种基于PLC的钒液流电池控制系统，包括有相互导通连接的钒液流电池工艺系统 ⑴和控制设备O)，其特征在于所述控制设备(2)包括有交流电源配置单元(21)、直流电源配置单元0 、离子浓度计量单元、人机接口单元04)、控制单元0 、信号变送模块组06)和动力变频单元(XT)；其中，所述交流电源配置单元与所述直流电源配置单元(22)、离子浓度计量单元(23)、 控制单元05)和动力变频单元(XT)导通连接，并供给工作所需交流电源；所述直流电源配置单元0 与所述人机接口单元04)和信号变送模块组06)导通连接，并供给工作所需直流电源；所述离子浓度计量单元与所述钒液流电池工艺系统(1)导通连接，并对其所设的钒液流电池系统的电量进行实时监测，并将监测结果传送至所述控制单元05)；所述控制单元0 与所述人机接口单元04)和信号变送模块组06)导通连接，并对所述离子浓度计量单元通过信号变送模块组06)传送过来的离子浓度信号和所述钒液流电池工艺系统(1)的其它信号进行计算，并将计算结果送至所述人机接口单元04)的显示装置上显示，同时接受所述人机接口单元04)传送过来的操作命令，并将计算结果和 /或操作命令送至所述信号变送模块组06)；所述信号变送模块组06)与所述动力变频单元07)导通连接，并与所述动力变频单元(XT)进行信号交互和运行控制，所述动力变频单元(XT)与通过所述信号变送模块组 (26)传送过来的频率指令信号控制所述钒液流电池工艺系统(1)的循环泵组进行调速运行。
2.根据权利要求1所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述控制单元0 包括有PLC模块组，所述信号变送模块组06)包括有I/O模块组和电压隔离传感器组，所述交流电源配置单元包括有转换开关和相应供电回路的断路保护器，所述直流电源配置单元0 包括有直流电源模块和相应供电回路的断路保护器，所述动力变频单元(XT)是包括有与所述钒液流电池工艺系统(1)的循环泵数量一致的变频器；所述PLC 模块组和直流电源模块均与所述I/O模块组导通连接，所述PLC模块组和I/O模块组与所述转换开关导通连接。
3.根据权利要求2所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述PLC模块组包括有以太网模块，所述控制单元0 通过所述以太网模块与所述人机接口单元04) 的远程监控上位机相连，实现远程监控、维护。
4.根据权利要求2所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述控制单元0 包括有互为热备冗余的高稳定性的第一PLC模块组(251)和第二PLC模块组(252)， 并以光纤连接；所述信号变送模块组06)包括有第一 I/O模块组061)、第二 I/O模块组( 和电压隔离传感器组063)，所述第一 I/O模块组(沈1)和第二 I/O模块组( 分别与所述第一 PLC模块组(251)和第二 PLC模块组(25 导通连接；所述交流电源配置单元包括有第一转换开关前面板011)、第二转换开关前面板 012)、第一转换开关控制器013)、第二转换开关控制器014)，以及相应供电回路的断路保护器015)，所述第一 PLC模块组051)、第一 I/O模块组061)与所述第一转换开关前面板011)和第一转换开关控制器013)导通连接，所述第二 PLC模块组052)、第二 I/O模块组062)与所述第二转换开关前面板(21 和第二转换开关控制器(214)导通连接；所述直流电源配置单元0 包括有第一直流电源模块021)和第二直流电源模块 022)，以及相应供电回路的断路保护器023)；所述动力变频单元(XT)是一变频器组，所述变频器组包括有两台以上的变频器，所述钒液流电池工艺系统(1)也设有与所述变频器数量一致的循环泵组，且所述变频器均与所述循环泵组、所述第一 I/O模块组(沈1)和第二 I/O模块组( 导通连接。
5.根据权利要求4所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述动力变频单元(XT)包括有第一正极变频器(271)、第一负极变频器(27 、第二正极变频器(273)、 第二负极变频器074)、第三正极变频器075)、第三负极变频器076)，并分别与所述钒液流电池工艺系统(1)中循环泵组的6台循环泵逐一对应导通连接，而且所述第一正极变频器071)、第一负极变频器072)、第二正极变频器073)、第二负极变频器(274)与第一 I/ O模块组061)导通相连，第三正极变频器075)、第三负极变频器(276)与第二组I/O模块组( 导通相连。
6.根据权利要求4所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述电压隔离传感器组063)由12块电压隔离传感器组成，所述第一直流电源模块(221)对第一 I/O 模块组沈1、电压隔离传感器组263中奇数号电压隔离传感器、人机接口单元04)的显示装置及第一 I/O模块组061)部分端子模块供给直流电源；所述第二直流电源模块(222)给第二 I/O模块组062)、电压隔离传感器组( 中偶数号电压隔离传感器及第二 I/O模块组( 部分端子模块供给直流电源。
7.根据权利要求5所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述离子浓度计量单元包括有氧化极离子浓度计031)和还原极离子浓度计032)。
8.根据权利要求7所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述控制设备( 包括有第一回路电源和第二回路电源，其中，第一回路电源为第一外线电源和第二外线电源经所述断路保护器(215)进入第一转换开关，再经所述断路保护器(223)对所述第一正极变频器071)、第一负极变频器072)、第二正极变频器073)、第二负极变频器 074)、第一 PLC模块组051)、第一直流电源模块021)、氧化极离子浓度计Q31)进行供电；第二回路电源为第三外线电源和第四外线电源经断路保护器015)进入第二转换开关，再经所述断路保护器(22 对所述第三正极变频器075)、第三负极变频器076)、第二 PLC模块组052)、第二直流电源模块022)、还原极离子浓度计(23 进行供电。
9.根据权利要求1所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述人机接口单元04)包括有一对所述钒液流电池工艺系统(1)内部状态进行监视和控制的触摸屏 (241)。
10.根据权利要求9所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于所述触摸屏 (241)为人机接口单元(M)，其操作界面设有手动/自动切换按钮、手动/自动指示灯、允许/取消报警按钮、报警指示灯、充电/放电按钮、充电/放电指示灯、循环泵组的启停和运行状态显示组、变频器的启停和运行状态显示组。
11.根据权利要求4所述的基于PLC的钒液流电池控制系统，其特征在于第一PLC模块组(251)和第二 PLC模块组(25 为GE通用电气RX3i系列，所述第一 PLC模块组(251) 和第一 I/O模块组(沈1)为GE通用电气VersaMax系列，所述人机接口单元Q4)的触摸屏(241)为GE通用电气QucikPanel系列，所述动力变频单元、2 )的变频器为施耐德ATV312H 系列。
12.一种用于实现权利要求1至11中任何一项所述的基于PLC的钒液流电池控制系统的控制设备O)，其特征在于所述控制设备( 是一控制拒，包括有正面前屏以K)和背面后屏OB)两部分，所述交流电源配置单元(21)、直流电源配置单元(22)、离子浓度计量单元(23)、人机接口单元(M)、控制单元(25)、信号变送模块组06)和动力变频单元(XT) 安装设置在所述正面前屏OA)和背面后屏QB)内。
13.根据权利要求12所述的控制设备0)，其特征在于所述正面前屏以K)内由上至下、由左至右依次设置有所述第一转换开关前面板011)、第二转换开关前面板012)、氧化极离子浓度计031)、触摸屏041)、还原极离子浓度计032)、第一 PLC模块组051)、第二 PLC模块组(25 、第一直流电源模块(221)、第一 I/O模块组(沈1)、第二直流电源模块 (222)和第二 I/O模块组062)；所述背面后屏0B)内由上至下、由左至右依次设置有所述第一转换开关控制器013)、第二转换开关控制器014)、断路保护器015、223)、变频器组(XT)和电压隔离传感器组063)，所述断路保护器(215、223)设于第一转换开关控制器 013)、第二转换开关控制器(214)两侧，所述断路保护器(223)位于第二转换开关控制器 (214)下方。
14.根据权利要求13所述的控制设备0)，其特征在于所述变频器组(XT)从右至左， 从上至下的排列顺序为所述第一正极变频器071)、第一负极变频器072)、第二正极变频器073)、第二负极变频器074)、第三正极变频器075)、第三负极变频器076)。
15.一种权利要求1至11中任何一项所述的基于PLC的钒液流电池控制系统的控制方法，通过所述控制设备的人机接口单元04)设置和监视所述钒液流电池工艺系统(1)的工艺参数，掌握其运行状况，并通过控制单元05)对离子浓度计量单元03)传送过来的离子浓度信号和所述人机接口单元04)传送过的频率设置操作命令经过逻辑运算计算出所述动力控制单元(XT)的频率指令，对所述动力控制单元(XT)进行自动调速运行控制，最终实现对钒液流电池工艺系统(1)的循环泵组进行充放电和待机全过程高可靠性调速控制。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于所述动力变频单元、2Τ)频率指令的计算公式为频率指令=变频器手动设置值+控制方法计算值，其中，所述控制方法计算值=PID (60-变频器手动设置值)，所述PID表示ISA标准比例积分微分算法，且当存在充放电信号时所述控制方法计算值有效，并且当充放电过程结束时所述控制方法计算值为O。
17.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于所述循环泵组的运行参数，通过在所述控制设备( 上进行设定，使所述循环泵组进行自动无间隔切换运行。
18.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于包括有自动模式，所述自动模式包括有以下步骤首先，判断系统是否有循环泵在运行，如果有，则判断是否到了指定的运行时间，如果到了指定运行时间，则启动下一台循环泵并停止上一台循环泵；如果不能正常启停，则发出故障信号，并跳过该台循环泵，自动切换至下一台；如果某循环泵组全部故障，则自动停止整个工艺系统的运行。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于所述自动模式在启动循环泵或者无间隔切换运行所述循环泵组时还包括有循环泵是否启动成功的判断和故障信息的记录， 以及所述循环泵组的正极或负极循环泵是否全故障的判断和是否允许报警的判断。
20.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于还至少包括有就地模式、远程模式和调试模式中的一种，系统上电运行时或掉电自恢复工作时将进入自动模式，需要进入其它模式时需要人工切换。
全文摘要
本发明提供了一种基于PLC的钒液流电池控制系统，包括有钒液流电池工艺系统和控制柜，控制柜内包括有交流电源配置单元、直流电源配置单元、离子浓度计量单元、人机接口单元、控制单元、信号变送模块组和动力变频单元。对控制系统电源回路、PLC模块组、I/O模块组、信号变送模块组和动力变频单元分组独立设计，实现全系统热备冗余，极大提高系统的稳定性和可靠性。本系统具有多种运行模式和外接四路交流电源，可随时随地对钒液流电池充放电，操作方便、应用灵活；还具有故障自诊断和自恢复功能，有效避免故障的误判、漏判，提升了系统可靠性和可用性，真正实现无人值守；而且通过人机接口可监视和调整有关参数，以适应各种运行工况的要求。
文档编号H01M8/04GK102315465SQ20111022272
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者牛玉广, 申忠利, 苏凯, 郑东冬 申请人:深圳市金钒能源科技有限公司