为了解决水下设备航程短的问题，需要配备能及时供电的备用电源。宋之勇等［3］提出了将柴油发电机作为备用电源，研究表明明显提高了电力应急供电保障地快速反应能力。李峰［4］采用铅酸电池作为备用电源满足风力发电组的变桨要求，有利于降低风力发电机组故障率。随着备用电源领域的发展，柴油发电机和铅酸电池等传统备用电源逐渐显示出其弊端，如噪声大、故障率高且不能用于水下环境中。然而，氢-氧燃料电池因其具有低噪音、无污染和输出电能质量高等优点被逐步应用于备用电源领域［5-7］。荆婷婷等［8］研究了将氢-氧燃料电池作为备用电源应用于医院和银行等特殊部门，保证了其稳定电能输出减少经济损失。刘国桢［9］提出了氢-氧燃料电池在氯碱厂也能很好的作为紧急备用电源。随着国内外技术的发展，利用氢-氧燃料电池替代传统的柴油发电机和锂电池等作为备用电源有着更佳的能量转化率以此提供稳定频率的电能 ［10-12］。氢-氧燃料电池作为备用电源大多应用于陆地上，用于水下的研究寥寥无几，并且氢气的获取、系统的安全检测和供电的自动化成为难题。随着可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的发展，它已成为制造业实现自动化、柔性化和集成化生产的有效工具，在复杂的水下环境中，PLC控制器的稳定性和抗干扰能力具有较大的优势［13-14］。

为了解决水下无人航行器供电困难问题，本文设计一种无污染、体积小且供电稳定的水下供电单元。运用博途TIA V16编写控制程序，可编程控制器作为控制核心与硬件设备、采集装置共同组成水下供电系统。采用比例-积分-微分控制器（proportion integration differentiation，PID）控制器控制气体流量和冷却水，实现了对气体流量的精确控制，提高了冷却水自动调速的精度，通过PLC控制器与触摸屏监控界面相结合，可使水下供电单元控制系统操作更加便捷，提高了水下供电单元的安全性和可靠性，实现了供电单元控制系统的自动化。首次将氢-氧燃料电池作为备用电源应用于水下，为后续水下备用电源研究提供参考。

1 系统整体设计

水下供电单元系统主要包括铝动力系统、燃料电池系统和供氧系统3个部分，根据系统工艺流程与控制需求设计系统控制流程如图1所示。

1.1 铝动力系统

整个系统处于静默模式下，当需要给水下设备供电时开启自动模式，开启储能装置进行投料、加水和开阀的工作，以保证铝动力系统的反应釜内能进行初始反应。进水阀开启，通过反应釜顶部超声波液位计可以无接触检测反应釜内部实际液位，避免液位过高占据反应空间。然后加料阀开启，铝基合金与水在反应釜内反应，定时20 s后加料阀关闭。由于反应是放热反应会使反应釜内温度升高，当温度超过70 ℃，抽水泵和冷却水阀开启，以降低反应釜内的温度，当温度低于55 ℃时抽水泵和冷却水阀关闭。在反应最剧烈的时候，反应釜内可能会出现压力过高的情况，此时电磁阀开启将氢气传送到备用储氢罐中以降低反应釜内的压力，当压力低于0.9 MPa时电磁阀关闭。通过压力传感器采集输氢管路和反应釜内部压力值，当反应釜内部压力小于输氢管路压力时，气体增压泵开启以保证氢气的传输。

1.2 燃料电池系统

燃料电池系统由储能装置、氢-氧燃料电池和逆变器组成。在稳定供氢之前，使用储能装置给控制单元供电，从而控制铝动力系统阀门的开启和供氧系统阀门的开启，在稳定供氢之后，关闭储能装置，由于燃料电池内需要保持一定的温度和湿度［15］，氢气需要经减压阀稳压后满足燃料电池的流量要求时开始供给燃料电池，氧气需要经过过滤加湿处理后供给燃料电池，当氢气和氧气都稳定供给燃料电池时，使用燃料电池供给电能。燃料电池输出的直流电经逆变器后变为交流电向负载供电，以达到长时间供电。

1.3 供氧系统

氧气供给方式有两种，一种是在离水面较近时直接使用过滤过的空气，另一种是在离水面较远时使用氧气罐，为此专门设计了一套可以自由弹出收回的应急浮标装置。通过深度检测仪内部的压力传感器检测设备所处深度的水压，将采集到的水压值按1∶10的关系再转化为深度值显示在触摸屏上，当深度小于10 m时，应急空气浮标通过内部弹簧自动弹出，靠自身充气浮力到达水面。氧气阀和气体增压泵自动开启，氧气供应来源于空气，在水下设备完成充电后，利用电机转动将应急空气浮标收回。当深度大于10 m时，氧气阀开启，氧气供应来源于氧气罐，由此实现了在水下环境中安全稳定的氧气供应。

2 系统硬件选型

2.1 系统硬件配置

控制系统的硬件由可编程逻辑控制器、传感器类、阀类、泵机组、铝动力系统、氢-氧燃料电池和储能装置等硬件组成。电磁阀和泵机组等在满足系统控制要求保证系统安全的前提下，尽量选择经济实惠且体积较小的型号，系统硬件配置如图2所示。水下供电单元控制系统主要通过西门子PLC的CPU模块，连接以太网进行通讯，采集控制系统中3个开度调节阀、9个电磁阀、抽水泵和气体增压泵的相关参数及状态，各传感器收集数字信号，将收集到的信号传送到PLC控制器进行处理解析，在触摸屏上实时显示系统中各电磁阀、电动阀以及各泵机的启停状态。

2.2 PLC选型和I/O地址分配

由于水下装备的迅速发展，对水下供电单元也有着更深更迫切的需求，为了满足系统安全且易维护，该水下供电单元控制系统选用西门子新一代S7-1500PLC。相较于传统的S7-300/400，S7-1500在响应速度、功能和组态效率上更有优势，其处理器性能更强大以至于处理速度和响应时间更短，便于在系统故障时更快速地响应。在外观上增加了LED显示功能，方便用户及时查看系统故障信息，由于S7-1500PLC无缝集成到博途软件中，其组态效率更高。PLC中CPU选用的型号是1511-1PN，数字量和模拟量采用ET200SP，通过以太网使1500PLC与ET200SP进行通讯，供电单元控制系统输入点数为5，输出点数为16，输入量包含按钮和切换装置等，输出量包含各类安全故障、电磁阀和指示灯等。

3 系统软件设计

3.1 系统的PLC软件设计

系统软件采用TIA V16编程，用于S7-1200/1500系列PLC的软件开发，可实现模块化编程，增强了程序的可读性。水下供电单元控制系统PLC的软件设计主要包括系统主程序、故障报警、模拟量处理和模式选择等。供电单元控制系统主程序调用各FC功能块，运行过程数据存储在DB数据模块中。

由于燃料电池反应气体中的氢气为易燃易爆的无色气体，而且燃料电池要在一定的温度、湿度下才能使氢气与氧气完全反应，所以必须对系统工作的状态进行监测。根据系统的控制要求以及系统可能出现的各种故障，对系统故障检测程序和报警系统进行了设计，以保证系统的安全运行。

燃料电池是由很多片单电池组成的电堆，需要特定的工作环境，而且水下设备是由燃料电池持续供给电能，所以对燃料电池的工作状态监测是尤为重要的。燃料电池内的湿度过高会产生水淹现象，会降低电流密度，内部温度过高会让质子交换膜干燥引发故障，影响电堆的性能。利用传感器对燃料电池的温度和出口电压数值进行采集，从而监测燃料电池的工作状态，燃料电池监测程序如图3所示。

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图3 监测燃料电池的故障程序图

Fig. 3 Monitoring faults of fuel cells using ladder logic

在工作中过程反应釜内可能会出现温度和压力过高的情况，反应釜内温度值利用冷凝盘管降低到55 ℃以下，内部压力值通过打开备用氢气阀排出氢气将其降低到0.9 MPa以下，但是当阀门故障等因素出现时，会导致温度或压力持续增加，当反应釜内部温度高于80 ℃或压力高于1.2 MPa时系统会停止运作，反应釜的安全阀会弹出保证设备不被损坏。

供氢管路和供氧管路上安装了气体浓度检测仪，其测量误差在0.3%以内。当检测到泄漏的氢气和氧气的质量分数大于等于设定值的0.02%和0.2%时，系统会在100 ms内报警并停止运行。通过管路上的流量计采集流体的数值，可以判断系统是否出现断气、断水故障。当检测出现系统出现故障情况，可编程控制器会自动停止系统运作，并将故障类型写入报警信息表，以便后续对故障进行处理。

冷却水调节流程如图4所示，PID可以通过设定参数及反馈信息实现对流量的调节，PID输入输出关系式为：

[ut=Kp[et+1T10tetdt+TDde(t)dt]]

按被控对象的实时数据采集的信息与给定值比较产生的误差的比例、积分和微分进行控制，其中[Kp]为比例系数，[T1]为积分时间常数，[TD]为微分时间常数。假设采样周期为T，系统开始运行时刻为[t=0]，将上式离散化后得：

[U(n)=Kpe(n)+KIj=0ne(j)+KD[e(n)+e(n-1)]]

[Un]为第n次采样后PID控制器的输出，[e(n)]、[e(n-1)]分别是第[n]次和第[n-1]次采样时的误差值，[T]为采样周期，[n]为采样序号，[K1]为积分常数，[KD]为微分系数。反应釜内反应需要保持一定的温度才能达到最大的产氢速率，但是温度过高超过反应釜限值会对反应釜产生损害，反应釜的传热速率与冷凝盘管中冷却水流速相关，采用PID调节控制变频器改变给水泵的转速来达到调节冷却水流速的目的，其PID调节流程如图4所示。系统中供给燃料电池的气体流量也是通过PID控制调节阀开度来实现，调节流程与冷凝水流速调节相同，不再做过多阐述。

3.2 HMI人机交互界面设计

梯形图编写完成后需要设计控制系统的上位机监控界面，监控界面采用西门子触摸屏，触摸屏作为人机交互界面用于实现整个系统的控制和监控。本系统中触摸屏的操作画面分为两个层次第一个层次为主界面，系统主界面如图5所示。主界面直观显示了整个供电单元控制系统设备的工作状况及阀类和泵机的启/停状况和系统设备运行数据，根据实时显示的数据情况观察整个系统的运行状态，还可以进行手自动模式的切换，若要查看系统更为详细的数据，则点击相应的图标或按键进入运行信息界面查看。

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图5 水下供电系统主界面

Fig. 5 Main interface of underwater power supply system

第二层为报警界面、运行信息界面和系统时间设置界面。运行信息界面上显示了系统详细的状态信息，可在运行信息界面下，查看到各阀类和泵机的运行状态、控制模式、各个压力值和系统运行时间，运行时间主要有储能装置、燃料电池和铝动力系统的运行时间，用户可根据需要对运行时间清零，运行信息界面如图6所示。报警界面会保存故障的类型和时间以便操作人员后续对故障的处理。系统时间设置界面可以设置系统时间，该时间可用于触摸屏显示和报警界面中的报警日期和时间。

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图 6 水下供电系统运行信息界面

Fig. 6 Information interface of underwater power supply system operation

4 结 论

本文设计了一套水下供电单元控制系统，详细介绍了该控制系统的基本结构和原理及系统的软硬件设计。供电单元系统利用采集装置对系统中的压力、温度和流量等信息进行测量，用PID控制器实现对冷却水、氢气和氧气流量进行精确的控制，并通过传感器和程序对系统工作状态进行实时监测，能及时处理系统出现的各种故障，保证了水下供电单元的安全运行。该供电单元系统适用于水下多变的环境，解决了氢-氧燃料电池作为备用电源在水下供电难和水下设备续航能源不足的问题。采用可编程控制器设计的控制系统具有安全、可靠和易拓展等优势，实现了供电系统的自动化控制，且人性化的人机交互界面方便操作人员更好的使用该控制系统。此设计为水下设备提供了功能完备的供电系统，在水下自动化供电中具有广阔的应用前景。