摘 要：本文以PLC控制器為主控單元，結(jié)合PLC各功能模塊，設(shè)計了一種電動汽車充電樁控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)主要包括PLC主控制器、觸摸屏人機交互模塊、充電控制模塊、計量計費模塊、打印模塊。進行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，硬件包括電源設(shè)計、充電接口設(shè)計等，軟件設(shè)計包括PLC主控制器的邏輯編程、觸摸屏組態(tài)編程、觸摸屏與PLC主控制器及PLC主控制器和上位機之間的通信參數(shù)配置等。

關(guān)鍵詞：充電樁;PLC;控制系統(tǒng);人機交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.112

0 引言

我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，給我們的生活提供了極大地便利，但由于大量的汽車尾氣排放，也嚴(yán)重地污染了環(huán)境。因此，汽車行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型，如何在汽車行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排，已成為世界各國的共識。大力發(fā)展新能源汽車已成為各國汽車行業(yè)發(fā)展的不二選擇。

新能源汽車綠色環(huán)保，對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生污染，因此，各國汽車行業(yè)都在積極研發(fā)各類電動汽車替代燃油汽車以達到節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。

然而，由于電動汽車的續(xù)航能力差，充電站不普及，無疑礙了電動汽車行業(yè)的普及和健康發(fā)展。因此，要發(fā)展新能源汽車，必須普及汽車充電站。

作為充電站的重要組成部分，充電樁的設(shè)計和管理是建設(shè)充電站的關(guān)鍵。

1 充電樁功能分析

充電樁其功能類似于加油站里面的加油機，用戶可以在觸摸屏上根據(jù)自己的電池類型選擇自己的充電模式和繳費方式，既可以用專用的IC卡刷卡繳費，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行電子支付。當(dāng)繳費信息上傳后，管理系統(tǒng)再將信息發(fā)送到充電樁，充電樁則判斷充電金額，執(zhí)行充電任務(wù);執(zhí)行過程中，PLC實時監(jiān)測電量變送器的值，并轉(zhuǎn)換成消費金額的形式，待消費金額等于充值金額時，則斷開充電輸出，結(jié)算費用，完成充電。并可以即時打印單據(jù)。

充電樁須有友好的人機界面，具備手動輸入和控制的功能。同時具備遠程啟停功能、數(shù)據(jù)本地存儲功能等[1]。

2 充電樁硬件設(shè)計

（1）主電路：主電路就是充電樁的配電部分，主要是通過各種不同型號的插頭，實現(xiàn)220V電源與電動汽車電池管理系統(tǒng)的鏈接。當(dāng)PLC控制器發(fā)出指令后，主電路的接觸器會閉合，接通市電與電動車充電接口的通路。同時將（接觸器觸點吸合）反饋信號送至PLC控制器對其進行狀態(tài)監(jiān)測。

（2）控制電路：控制電路由PLC主控制器及其功能擴展模塊組成。主要實現(xiàn)充電樁正常運行控制、各功能塊的保護、故障檢測及處理、記錄充電參數(shù)，通過觸摸屏顯示充電過程信息及用戶充電金額等信息。

（3）傳感器和通訊接口：包括電量變送器，用于采集和監(jiān)控充電樁輸入及輸出的電能的電壓、電量、頻率和有功功率等參數(shù);通訊接口包括與電量變送器通信的RS485接口，與以太網(wǎng)通訊的RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，還有用于下載PLC程序的PPI通訊接口。

整個系統(tǒng)主要由PLC主控制器、觸摸屏、即時打印機、計量模塊、充電模塊、電源模塊等組成（如圖1）。

當(dāng)充電樁進行充電時，主控制器對充電量進行計量和結(jié)算，并即時打印憑條，同時將數(shù)據(jù)進行上傳。

本系統(tǒng)主控制器采用西門子S7-200型PLC，能夠完成充電過程的啟動、充電、計量、關(guān)閉等過程的控制，完全能夠滿足要求。觸摸屏選用西門子SMART 700IE V3型，可用觸摸屏編程軟件WinCC_flexible_SMART_V3進行組態(tài)。根據(jù)觸摸指令進行人機交互、充電管理、憑單打印等。

3 充電樁軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分，PLC邏輯編程和觸摸屏組態(tài)編程。

PLC邏輯控制原理為：PLC對充電樁的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并向工作站系統(tǒng)發(fā)送就緒信號，等待用戶充電;當(dāng)用戶通過IC卡充電或通過手機支付平臺將充電金額等信息發(fā)送至中心管理系統(tǒng)，并將信息保存和下發(fā)至停車場工作站管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)再將信息發(fā)送到終端充電樁，終端充電樁則判斷充電金額，執(zhí)行充電任務(wù);執(zhí)行過程中，PLC實時監(jiān)測電量變送器的值，并轉(zhuǎn)換成消費金額的形式，待消費金額等于充值金額時，則斷開充電輸出，結(jié)算費用，完成充電。

交流充電樁觸摸屏畫面包括主界面和分界面共十幾個，根據(jù)本系統(tǒng)功能要求，觸摸屏操作平臺必須能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、人機對話、實時數(shù)據(jù)分析等功能[2]，并方便用戶切換相應(yīng)畫面;通過組態(tài)按鈕、文字、顯示、輸入和功能鍵等部件工具進行觸摸屏操作畫面編輯設(shè)計。

4 充電樁監(jiān)控和通信

整個充電樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為中心管理和數(shù)據(jù)庫層、中間管理層、終端充電樁。

中心管理和數(shù)據(jù)庫層：用于和網(wǎng)絡(luò)運營商的手機支付平臺進行數(shù)據(jù)交換及與用戶進行收發(fā)短信的功能;管理和控制各充電站的控制中心;將遠程充電樁的狀態(tài)及用戶數(shù)據(jù)儲存在公司自建的服務(wù)器中，保障用戶個人信息的安全。

中間管理層：用于管理、監(jiān)測和控制本站的充電樁的狀態(tài)及運行過程，接收發(fā)中心管理和數(shù)據(jù)庫層的充電指令或取消充電指令，并反饋充電樁狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

終端充電樁：用于執(zhí)行充電任務(wù)，監(jiān)控充電參數(shù)（充電電量、充電金額、充電前電量、充電后電量等）及運行狀態(tài)（充電就緒、充電中、故障、失去連接、充電完成、取消充電、急停等）保護系統(tǒng)安全及用戶充電系統(tǒng)的安全;通過中間管理層向中心管理和數(shù)據(jù)庫層進行數(shù)據(jù)的交換。

因此，本系統(tǒng)通信包括三部分：PLC與觸摸屏之間的通信、電動汽車與充電樁之間的通信、充電樁與上位機之間的通信。

（1）PLC與觸摸屏通過RS-485通信電纜連接，通過設(shè)置實現(xiàn)連接。

（2）電動汽車與充電樁之間的通信是指電動汽車動力電池管理系統(tǒng)（BMS）與充電樁的通信。BMS能實現(xiàn)對電池分組管理，即時監(jiān)測電池單體的端電壓、溫度，帶時標(biāo)存儲記錄，能進行電池充電、放電電流測量，能通過內(nèi)部通信總線發(fā)給各個監(jiān)測模塊;并且BMS系統(tǒng)對單體電池進行完善的保護，如過壓保護、欠壓保護、總電壓過壓保護、總電壓欠壓保護、過流保護、過溫保護等。

每一臺充電樁都有一個獨立的PLC控制，電動汽車與充電樁之間的信號通過充電線纜進行傳輸，實現(xiàn)載波通信。

（3）系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)對分散的充電樁集中控制、管理和監(jiān)測。這樣，電動汽車交流充電樁系統(tǒng)能夠使用手機等移動設(shè)備在任意充電樁上均可根據(jù)充電樁ID和付費短信號碼編輯短信付費充電，亦可采用IC卡，為用戶使用提供更便捷的服務(wù)。

5 結(jié)束語

新能源汽車綠色環(huán)保，因此，各國汽車行業(yè)都在積極研發(fā)各類電動汽車替代燃油汽車以達到節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。但充電問題成為了電動汽車發(fā)展的主要瓶頸，充電站的建設(shè)已成為迫在眉睫的問題。本文以PLC控制器為主控單元，結(jié)合PLC各功能模塊，設(shè)計了一種電動汽車充電樁控制系統(tǒng)。并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了遠程全面監(jiān)控和控制用戶無需購買業(yè)務(wù)付費IC卡，只需通過發(fā)送短信的形式，就能實現(xiàn)繳費充電的功能;系統(tǒng)不僅操作簡單、方便、可靠性高，還能有效提高設(shè)備使用效率。

參考文獻：

[1]袁金云，王向東，王冬青，王海銘.基于plc的電動汽車交流充電樁控制系統(tǒng)研發(fā)[J].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2015（02）.

[2]李潔，胡曉東，劉巖.PLC與觸摸屏在直流充電樁中的通信研究[J].自動控制，2018（08）.

項目名稱：一種基于PLC控制的電動汽車充電樁的研發(fā)

項目編號：2018GX084

作者簡介：孫寶平（1969-），男，山東諸城人，本科，工程碩士，講師，研究方向：機電一體化、物流技術(shù)。