基于PLC電動車集中充電控制系統的設計

陸大同， 盧翠珍

（1. 百色職業學院，廣西百色 533000；2. 百色學院，廣西百色 533000）

0 引言

隨著科技的發展和國內能源轉型的推進[1]，作為綠色環保交通工具的電動汽車，近年來在國家良好政策補貼和國際環境的影響下，在一些地方得到快速發展，并逐步取代傳統的燃油汽車，成為人們出行的代步工具，一定程度上有效地解決了能源短缺和燃油汽車排放尾氣造成的環境污染問題。但是，電動汽車的發展除了跟技術和政策有關之外，還跟它的配套措施充電基礎有著密切關聯。從目前現狀來看，類似于加油站里加油機功能的充電站數量的不足、續航能力差和充電時間長等因素制約著它的全面普及和健康發展。因此，設計一款充電控制系統尤為必要。

1 系統設計方案

1.1 設計思路

系統擬設四個充電樁，以PLC為下位機，組態王為上位機[2]，通過向PLC輸入充電指令，選擇充電樁，設置充電時間，并由系統自動計算所需支付的金額，系統運行情況可由指示燈直觀顯示，也可由組態實時動態監控；在PLC輸出端，通過繼電器控制充電樁電源的通斷，起到電氣隔離和提高驅動能力的作用。系統的供電使用220 V交流電壓經過空氣開關以后，一方面直接給PLC，另一方面通過開關電源，得到24 V直流電源，供給模擬充電樁的指示燈和繼電器使用。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

1.2 系統設計框圖

由圖1可知，系統以西門子S7-200系列的CPU224XP處理器為控制核心，由按鈕輸入、人機交互觸摸屏、組態等組成指令輸入部分，繼電器和充電樁為輸出模塊。系統運行時，可通過三種指令輸入方式中的一種，比如采用觸摸屏方式輸入，在觸摸屏上錄入各充電樁二維碼，當選擇某一充電樁時自動彈出相應二維碼，此時可設置充電時間，充電所需費用與充電時間成正比，再設置確認按鈕以模擬用戶掃碼付費過程；組態輸入方式主要用于模擬系統運行；充電故障判斷部分采用按鈕輸入模擬故障發生，用指示燈模擬故障充電樁。當發生故障時，指示燈亮起報警并自動斷開故障充電樁電源，每個充電樁都相互獨立工作，某個充電樁發生故障，并不會影響其他正常充電樁的使用；若是其他原因急需全部充電樁斷電，可選擇停止運行系統的按鈕，真正實現集中充電控制。

2 硬件電路設計

2.1 西門子PLC S7-200外部接線圖

基于上述設計思路，系統外接電路采用按鈕分別表示運行、停止、時間設置與確認、運行查看及四個充電樁選擇和模擬故障指令輸入；輸出采用指示燈模擬充電樁的使用和故障。由此可列出I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

根據表1可以輕松地畫出PLC的外部接線圖，分析系統的具體工作過程：PLC以循環掃描方式工作，當按下系統啟動按鈕后，運行指示燈亮起，系統開始運行，此時可以選擇任意充電樁進行充電；然后進入時間設置界面，用戶可以根據所需充電時間合理設置數值，并可通過時間加減按鈕或在觸摸屏上直接點擊時間進行設定；設置完成后相應充電樁會彈出二維碼要求用戶掃碼付款，觸摸屏上會出現一個付費確認按鈕，點擊確認完成付款；隨即所選擇充電樁接通電源，立即進入充電狀態；按下查看運行按鈕或在觸摸屏和組態上點擊進入系統，可以監控剩余幾個充電樁可用以及正在運行的充電樁剩余充電時間；若某個充電樁發生故障，則之前正在運行的相應充電樁立即停止充電，故障指示燈亮起發出燈光報警信號，同時顯示充電時間為0；當充電樁需要維護時，可按下系統停止按鈕，停止指示燈亮，運行指示燈滅，系統停止運行后方可斷開電源。

2.2 觸摸屏選擇

觸摸屏實質為一種常見的觸控面板，它是直觀感應式的液晶顯示操作設備，可以接收觸摸輸入信號，平常人們使用的手機屏幕也是觸控面板，從而得以實現人機交互。觸摸屏種類很多，可以根據不同的設計要求來選用不同型號。本設計選用SIMATIC觸摸式面板，其通信接口采用RS485協議，以太網10/100 M接口，具有8路繼電器輸出和4路100 K高速脈沖輸出，通過WINCC FLEXIBLE 2005進行組態。

3 軟件電路設計

3.1 系統部分程序

系統軟件部分采用STEP 7-MicroWIN V4.0軟件進行編程，充電流程大體是：系統上電后開始運行程序，此時各充電樁初始化至充電時間均為0，當接收到充電樁選擇指令后，相應的充電指示程序運行。比如選擇一號充電樁時，一號充電流程由常開變為常閉，等待進入下一步驟的時間設定。輸入充電時間，系統自動計算需要支付的金額，當系統收款成功后，對應充電樁開始充電至充電時間結束。

具體充電控制程序分為啟動與停止、時間限制、充電流程、充電計時及金額計算和剩余充電樁計算五個模塊。

啟動與停止程序如圖2所示，它控制著整個系統電源的通斷。將I0.0定義為系統啟動，I0.7定義為系統停止，Q0.0為運行指示，Q0.1為停止指示，I0.0為常開觸點，I0.7為常閉觸點，在系統啟動程序中串聯一個常閉觸點M0.7，方便后續連接組態；在系統啟動加入運行指示自鎖程序，使程序運行時按下啟動I0.0后，常開得電變為常閉，運行指示燈保持常亮；按下I0.7時常閉變為常開，運行指示燈熄滅；Q0.0在系統啟動時常亮，Q0.1在系統停止時才亮。

圖2 啟動/停止程序

時間限制模塊：限制輸入時間大小，當輸入的數據小于0或者大于6000時，傳送指令將存儲區中對應的數據清零，避免使用時輸入的數值過小無法充電或數值過大給用戶帶來損失。

充電流程模塊：4個充電樁的充電流程相同，在充電運行前加入故障斷電程序，以確保有故障輸入時充電樁能立即停止充電。選擇充電樁后，進入時間設置和確認流程，時間確認以后，為了實現模擬用戶掃碼步驟，需加入一個組態地址。

充電計時及金額計算模塊：系統中的4個充電樁的計時模塊相同，用戶輸入充電時間與金額成正比，充電樁運行分別連接一個減法指令，在指令前端連接所輸入數值，該數值為用戶在上一步驟中輸入的充電時間，運用減法指令運算后輸出剩余時間。

剩余充電樁計算模塊：當對應充電樁運行時輸出相應數值，用以計算剩余可使用充電樁個數，并在觸摸屏上顯示出來。本設計在這一模塊是將一至四號運行分別連接四個不同的位，如圖3所示，用M6.0～M6.3表示。此后再輸入一個移動指令，將MB6計算后輸出剩余位對應的值傳送到MB7。MB7是一個顯示充電樁剩余個數的觸摸屏地址。該計算程序中，四個充電樁的使用情況用8421碼表示，這樣四個充電樁的組合使用MB6就有可能接收到16個信號，例如當有三個充電樁正在使用時，MB6接收到的信號可能為1000、0100、0010、0001，為反碼輸出，則計算值為7、11、13、14，MB6輸出1。其余組合使用情況分析類似。

圖3 剩余充電樁計算程序

3.2 上位機組態

組態王是一款組態開發監控系統軟件，用來監控PLC等設備。本設計在組態王工程中共創建7個畫面，分別為一、二、三、四號充電樁設置、充電樁選擇、系統入口、插口模擬?！跋到y入口”畫面進入后為充電系統首頁，該畫面設置了運行狀態指示燈、充電樁可用個數，“系統啟動”“系統停止”“進入系統”“退出系統”四個按鈕；各個畫面邏輯關聯，組態王畫面與觸摸屏基本一致；組態王功能強大，便于模擬設備運行，因此本設計在組態王工程中加入了插口模擬畫面，目的是為了模擬解決用戶隨機使用插頭時不知道該掃哪個二維碼的問題[3]。組態王的運行畫面與實物運行效果相同，實際操控時使用組態王、觸摸屏、按鈕三種方法所實現的功能一致，由于故障是模擬故障信號源輸入，模擬充電樁故障時只能用按鈕，但組態王上也會顯示故障[4]。

4 系統功能測試

（1）按鈕輸入測試：分別按下代表充電樁運行控制和模擬故障發生按鈕，觀察相應指令下所表示的指示燈是否亮起，再按下時間增減的按鈕，看系統能否實現定時充電；最后測試系統故障判斷功能。

（2）觸摸屏操作測試：用24 V直流電源給觸摸屏供電，將觸摸屏連接到電腦上通電啟動，無需任何操作，等待觸摸屏自動進入項目的操作界面，觸摸屏可監控設備運行狀況，按充電流程逐一測試；觀察是否能正確控制系統充電樁的運行，打開STEP7-MicroWIN對系統狀態進行實時監控[5]。

（3）組態控制調試：首先進入工程畫面，單擊菜單“文件”，選擇“全部存”，再單擊右鍵選擇“切換到View”進入系統運行環境。在“系統入口”畫面中選擇“進入系統”，再選擇充電樁進行充電模擬，查看所進行的操作與實物動作是否相同，操作畫面是否流暢，二維碼的彈出時間是否合適，各畫面是否能通過按鈕切換，是否存在誤動作等。

值得注意的是，調試中發現觸摸屏不能同步操控組態運行，因為組態作為PC端上位機，優先級高于觸摸屏，組態可以控制觸摸屏，但觸摸屏不能控制組態[6]。還有運行時組態畫面不夠穩定，其主要原因是PLC與PC端使用PPI通訊線連接時，通信存在延遲，導致組態反應速度過慢。后將PPI通訊線改為網線就解決了這一問題[7]。

經過反復調試發現，系統能實現最初預定的功能，操作簡單，可在各種場所投入使用，方便電動車的集中管理，減少潛在安全風險。此外，改進空間大，還可增加定位服務，方便附近用戶尋找最近的可用充電樁。相信通過完善充電樁后臺控制及管理系統，定能以它獨特的優勢在市場中脫穎而出。