西门子CPU模块6ES7516-3AN02-0AB0

应用领域：产品测试

使用的产品：

　　NI Developer Suite 2005 NI开发套件;

　　PXI-1042+ PXI-8186 PXI工控机箱和控制器;

　　PXI-6040E 12位500KS/s 多功能数据采集卡

　　PXI-6704 16位32通道电压电流模拟输出卡

　　PXI-8423/4 4通道隔离RS485接口卡

　　SCXI-1000 信号调理机箱

　　SCXI-1102+SCXI-1303 热电偶采集模块

　　SCXI-1102+SCXI-1308 变送器信号采集模块

　　SCXI- 铂电阻信号采集模块　

　　SCXI-1 继电器输出模块

挑战：

　　建立100KW级智能型质子交换燃料电池发动机测试平台,为燃料电池发动机提供各种工况环境，采样其各种重要参数，评价燃料电池发动机的动态特性，并且为燃料电池发动机匹配以及控制提供一个完整的试验环境。

应用方案：

　　使用NI开发套件的可视化界面以及其强大的图形处理功能建立燃料电池测试平台的用户接口;利用NI软硬件系统的高度集成性，在后台直接完成数据采集、通信、控制等功能;利用NI开发套件的数据处理工具包完成数据在线分析处理，测试完成后生成测试报告;考虑到燃料电池测试的安全性，利用NI开发套件自带的远程操作的功能，为远程计算机操作提供了完整的接口方案，从而建立一个燃料电池智能化测试平台。

介绍：

　　本文建立了基于NI集成软硬件环境燃料电池发动机测试平台。该平台可以实现燃料电池发动机及其辅助系统的测试与控制、燃料电池发动机系统参数测量、为燃料电池发动机提供多种工况环境，甚至系统控制策略的评价的功能。利用NI开发套件建立了一个内嵌专家系统的智能软件平台，不仅确保了测试平台的工作安全性，同时也可以对系统的潜在故障进行诊断。此外，由于该测试平台的高速采样，使得燃料电池发动机动态特性参数的准确性得到保证，本系统利用这些参数自动生成包括燃料电池发动机动态模型的测试报告。

正文

测试平台功能要求

　　燃料电池发动机的本质是一个电化学的反应堆，能够对外输出电能，如图1所示。燃料电池可分为4个部分：空气系统、氢气系统、循环水系统和燃料电池堆。

图1 燃料电池工作原理示意图

　　对燃料电池进行测试主要是有三个目的，功率输出特性，不同工况工作规律，建立或者验证其数学模型或控制模型。根据测试目的，燃料电池测试平台应具有控制、数据采集、数据处理以及生成报表的功能。

　　基于上述的功能要求，本文建立了智能化的燃料电池发动机测试平台。如图2所示的系统的结构框图。

图2 系统结构

　　按照工作性质整个平台的可分为执行、测控以及数据处理三个部分：

　　1，执行部分

　　该部分主要为了满足系统功能的需要配置的各种制冷、加热、加湿、水处理等大型设备，由冷冻机、换热器、蒸汽锅炉、循环水泵、阀门等组成。

　　2，测量与控制

　　该部分主要为了测量和控制平台的特性参数和燃料电池的工作状态。主要由数据采集装置、调节装置、信号调理放大等部分组成。

　　为了实现平台的功能，需要测量的量共计86个，类型各有不同，并且信号类型众多，显然快速、**、可靠的测量是一个繁琐的工作。在参数测量的同时，系统需要完成控制功能，由于控制对象的复杂性，要达到良好的控制效果一直都是燃料电池测试平台开发的难点。

　　3，数据处理

　　在测试的过程中，系统需要为用户提供相关的瞬时测试信息;测试结束后，系统必须为用户生成完整的测试报告，以评价燃料电池发动机的性能。

　　由于系统中执行部分主要利用化工工业和制冷技术等方面的成熟的产品，该部分的内容在本文中不属于本文的重点，故本文主要就系统的测量、控制和数据处理方面的内容进行介绍。

开发环境选择

　　如测试平台构成部分所述，系统中传感器信号和控制信号类型众多，同时对于数据采样速率要求很高，因而选用了NI公司的测试环境，之所以选择该开发环境主要是因为：

　　1. NI公司的硬件环境和软件环境操作简便，图形化的编程界面及其优异的图形控件使得测试平台的编程过程变得简单，尤其是其软硬件系统的无缝结合，极大**了编程效率与可靠性;

　　2. 数据测试系统配置方便，可靠性高。数据采集结构的开放性，使得数据采集系统的使用只是简单的外围传感器信号配置，同时PXI总线的优越性能使得数据采集的信号多样性、速度和精度要求高等难题变得微不足道;

　　3. 功能强大。NI开发套件工具包配置齐全，使得测试平台开发中的控制算法的实现、数据的图形显示、数据采集工作的实现、在线数据处理、测试报告的生成以及远程协作控制等变得只是工具包的调用和系统参数的配置。

测试平台硬件系统构建

　　本系统硬件采用了NI公司的DAQ系统来实现温度、湿度、压力和**等数据的采集;利用模拟量输出单元来控制相应的调节设备;利用继电器输出单元来控制重要的开关器件;利用RS485和GPIB通信端口和外设装置进行通信;利用工控机箱的RS232端口和PLC通信，控制次要的设备和读取相关设备的故障信息;如图3所示系统的硬件结构。

图3 系统硬件结构

　　利用以上的硬件可以方便的对测试平台中的各种信号进行测量，避免了硬件设计的繁重工作，尤其是NI内嵌式的DAQ系统提供了自由的硬件配置以及测量数据校正的功能，大大简化了系统的设计，给了用户更多的自由空间，使得用户可以将更多的精力投入到软件设计的工作中。

测试平台软件设计

　　由于该平台可以提供多种功能，要充分利用其各种功能，为系统设计和理论分析提供更多的帮助，则主要依赖于软件系统的开发。

　　本系统利用该开发环境提供的多线程技术，将系统的数据采集、数据处理、设备控制以及用户接口等四方面的工作并行的处理，通过调用NI开发套件的控制工具包，为用户提供了PID、模糊等多种控制算法。并且通过图形显示各相关参数的变化趋势。使用NI公司的LabVIEW开发平台，非常方便的实现多线程的程序架构以及良好的用户界面。系统的软件功能主要包括：压缩机测试、电堆性能测试、辅助系统匹配测试、历史数据分析、电堆性能仿真以及辅助系统仿真等功能。软件系统中嵌入了专家系统，根据用户执行不同的操作分配系统的任务，同时对于测试过程中的相关结果进行了分类处理，供用户备用。

　　在用户界面中，系统提供了各执行部件的操作按钮以及开关程度的设定，显示各种测量参数的数值与图形显示。通过用户界面，用户不仅可以选择测试平台的不同测试功能，同时可以自由选择控制算法，调整控制参数。如图4所示。

图4 用户界面

　　控制系统的功能是本系统有特点的模块，不仅允许用户对控制参数进行在线调整，同时可以自动的对系统的模型进行在线辨识，对系统的工作状态进行预测，在手动控制的条件下为用户做出在线提示。

结论

　　燃料电池发动机是车载发动机的研发的重点 。本文结合同济大学所承担的国家863燃料电池轿车重大专项的研发工作，使用了NI的软硬件产品，成功的建立了一个综合测试环境下智能化的100KW级燃料电池测试平台，不仅可以实现对燃料电池发动机的电堆和各辅助部件进行测试，同时还可以对燃料电池发动机的性能、控制算法等进行综合评价，为燃料电池的研究提供了充分的支持，同时也为其它类型燃料电池测试平台的设计提供了一种简洁、高效、相对低成本的设计方法。

　　垃圾焚烧在国内属于新兴的行业，伴随着城市发展越来越受重视，当前主要焚烧技术大多来源于欧洲技术。70年代初，垃圾焚烧技术不断完善，同时不断向大规模、全自动化方向发展，相继出现了日焚烧规模1000吨以上的大型焚烧厂，随着焚烧规模向大型化，利用焚烧废热发电得以发展起来。厦门垃圾焚烧发电厂工程采用瑞士（VonRoll）公司横向间隔排列的活动式炉排焚烧技术，日处理垃圾量400吨，拥有2条焚烧生产线，配6MW纯凝汽轮发电机组。根据垃圾发电厂工艺流程的特点，系统控制主要由集散控制系统（DCS）、焚烧炉燃烧控制系统（SIGMA）、启动燃烧器及辅助燃烧器系统、烟气连续测量监视系统、汽轮机控制系统（DEH）、汽轮机紧急跳闸系统（EST）、汽轮机安全监视系统（TSl）、辅助车间控制系统（化学水及废水处理控制系统、垃圾抓斗控制系统、除灰控制系统等） 、中低压电气及电视监视系统等几部分组成。

2．焚烧发电系统配置

2．1 DCS组成

　　厦门垃圾焚烧发电厂控制系统，全厂设置1套集散控制系统（DCS），集中操作与各工段分散控制相结合的系统运行模式。系统采用德国西门子公司SIMATIC PCS7新型控制系统，整个系统控制由一台工程师站、五台操作站、一台资料档案站、五台过程处理中心组成。控制系统通信拥有现代高速的以太网（10/100LAN），冗余的通信设备，总的设计I/O点数包括2条生产焚烧线、汽轮发电机、中低压电气系统及公用系统都有各自独立的控制器，每个焚烧线安装了7个远程I/O（输入/输出）站，一个汽轮发电机远程I/O（输入/输出）站，一个远程I/O（输入/输出）站控制公用系统，中低压电气的信号单独处理。实现了生产过程状态监视、运行操作、过程控制、事件报警、运行联锁、安全保护，完成数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）和联锁保护（PRO）等系统功能。

2．2 DCS的I/O点数

　　系统总的设计I/O点数系统为2303点，系统实际容量为3100点。I/O点的数量分布如下：

3．DCS控制功能

3．1操作员站

　　数据采集和处理：定时采集全站生产过程输入、输出信号（包括开关量、模拟量、脉冲量）经滤波，检出事故、故障、状态信号和模拟信号参数变化，实时地更新数据库，为监控系统提供运行状态的数据。将自动装置的动作按动作顺序记录。模拟量设置上上限、上限、下限、下下限等几个限值，当测量值越限时发出报警。事件产生时，启动相关的事故追忆记录，输出事故前、后一段时间内的模拟量值，追忆数据的测点和周期可定义。

　　控制操作：画面显示及流程显示、控制调节、趋势显示、分级报警管理及实时和历史显示、报表管理和打印、操作记录、运行状态显示、在线参数组态设置、操作权限保护等功能。控制中实现安全操作闭锁功能。

　　事件报警：在系统发生事件或运行设备工作异常进行报警。
　　系统自诊断：监控系统在线自诊断能力。可以诊断出通讯通道、I/O模块等故障，并进行报警和在系统自诊断表中记录。
　　系统维护：系统在线软件自我监控系统。

　　控制系统采用国际流行的上位机监控方式，整个控制系统的运行操作和监视全部在上位机实现。在上位机上不仅能显示系统设备的运行状态、过程参数、报警等，在上位监控中还对PLC、总线模块等电源及通讯状态进行显示，对重要I/O信号的故障状态进行显示，方便故障的排除，还可以进行各运行方式的选择和切换，进行自动程控操作，同时还具有模拟量参数显示、棒状图显示、声光报警、打印制表等功能。

3．2 工程师站

　　提供一套台式工程师站，用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改。工程师站能调出任一已定义的系统显示画面，在工程师站上生成的任何显示画面和趋势图等，均能通过数据高速公路加载到操作员站。

　　工程师站能通过数据高速公路，既可调出系统内任一分散处理单元的系统组态信息和有关数据，还可将组态数据从工程师站上下载到各分散处理单元和操作员站。此外，当重新组态的数据被确认后，系统能自动的刷新其内存。

　　工程师站包括站用处理器、图形处理器及能容纳系统内所有数据库、各种显示和系统程序所需的主存储器和外存设备。还提供系统趋势显示所需的历史趋势缓冲器。

　　工程师站设置软件保护密码，以防一般人员擅自改变控制策略、应用程序和系统数据库。

　　工程师站兼有历史数据站功能。

　　工程师站能支持光盘刻录机等辅助设备。

　　工程师站能进行性能计算、文件传送等。

3．3以太网系统

　　系统网络分为下层控制网、上层管理网。下层控制网采用同轴屏敝电缆，适合欧洲Profibus标准，通过每个ET200M上的IM153－1通讯卡与AS417-2DP控制器互相连接，满足现场信号的采集、处理和控制器的冗余通讯，为Profibus－DP现场通讯网。上层管理网采用同轴电缆，适合欧洲Profibus标准。通过OS站、ES站和控制器上的CP443－5通讯卡相连接，满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理，实现数据共享。另一类为采用同轴细缆，符合TCP/IP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的D-bbbb网卡连接，主要实现工程师和工厂管理网之间文件管理。

3. 4过程处理中心

　　过程处理中心选型型号为AS417-4-2H。操作站利用CP1613与冗余软件包相连，在出现故障时，容错通信自动的继续进行。电源配有浪涌保护。

　　PLC系统能在高的电气噪声，无线电波干扰和振动环境下连续正常运行。所有在可编程控制器系统中的硬件能在环境温度－10～50℃，相对湿度为5～95％的范围内连续正常运行。
中央处理单元（CPU）设置足够容量的存储器。
当CPU掉电后，不会导致程序或数据丢失。
　　过程控制、监视和用所需的故障诊断等，其使用功能设置于可编程控制器内。这些功能至少包括下列内容：实时时钟和日历、继电器和锁存继电器、过渡触点、计时器、计数器、算术运算、逻辑功能、移位寄存器等。

3．5系统控制软件

　　操作员站OS和工程师站ES均采用微软英文版bbbbbbs NT Workstation V4.0作为操作系统，附加安装版Package 3和Internet explorer 4.0，汉字处理采用中文之星For bbbbbbs NT V2.0，使得除工程师组态以外的所有信息、界面均实现汉化。

　　操作员站另加载了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NET Profibus-S7、WINCC ADVANCED PROCESS CTRL.、WINCC BASIC PROCESS CTRL．等监控软件。在操作员站所加载软件的基础上，工程师站还加装了SIMATIC STEP7 BASIS V4.0、CFC V4.0、S7-SCL V4.0、SFC V4.X 等组态功能软件。除用于系统软、硬件组态外，ES站具有与OS站完全相同的功能，可以兼做OS站，起到了降低用户成本的作用。

4结束语

　　垃圾焚烧发电的方式既可有效地解决垃圾污染问题，又可实现能源再生，本系统设计完全能满足垃圾焚烧发电的需要，可靠有效的自动化控制系统将为垃圾焚烧发电厂的安全稳定运行提供保证。