【正文】 經(jīng)分析，系統(tǒng)程序由主程序、電流環(huán)子程序及轉(zhuǎn)速環(huán)子程序等組成。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用 PLC 的程序語言編制的應用程序，用來實現(xiàn)各種控制要求。 蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 27 第 4章 軟件設計 系統(tǒng)程序設計方案 西門子公司的 PLC 產(chǎn)品有 SIMATIC S M7 和 C7 等幾大系列，其中的 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC 產(chǎn) 品。該電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸出端等功能和特點。 觸發(fā)電路原理 三相整流電路中必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖。阻容吸收電路中的電阻和電容按經(jīng)驗取 R=50Ω， C=。 對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負載回路接地時，可以 采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。 EM235 有 1路模擬量輸出，其輸出可以是電壓也可以是電流。同時對 32 路信號采集，則采樣時間較短，在實際工作中，如需增加采樣時間，則可采用接續(xù)采集的方式，也就是由幾個通道來采集一路信號。此時 G 為 1，采樣時序信號未產(chǎn)生。 計算機輸入輸出系統(tǒng)（ I/O 系統(tǒng)）的功能是完成計算機系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系 ，它與計算機主機的速度、處理能力、實用性、兼容性等各項性能都有十分密切的關系如圖 33。 （ 3） 通 程序結束 當通道處理機執(zhí)行完通道程序的最后一條通道指令 “ 斷開通道指令 ” 時，通道的數(shù)據(jù)傳輸工作就全部結束了。 通道的工作過程 通道的工作過程可分為啟動通道、數(shù)據(jù)傳輸、通道程序結束三個部分 。各種外圍設備不能與計算機主機直接聯(lián)系，必須通過 I/O 系統(tǒng)聯(lián)接。 蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 20 圖 32 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采 集圖 在以上采集電路結構中， 32 路信號由 8 個采集模板的采集電路同時進行采集。但連續(xù)采集的特點是循環(huán)使用緩沖區(qū)，因此如果采集數(shù)據(jù)較多時，連續(xù)采集循環(huán)具有較大的優(yōu)勢。由于輸出電壓信號有波紋，一般需要配置 濾波電路。轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對整個控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標影響非常大。特點 ： 需提供 177。 蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 18 霍爾傳感器 初級繞組繞在徑向開有缺口的環(huán) 型（矩形等）鐵芯上，霍爾元件置于缺口中。 EM235 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率為 12 位，輸入電流范圍為 0~20mA，電壓范圍為 0~10V。晶閘管觸發(fā)板具有同步信號檢測功能，三相電壓經(jīng)變壓器輸入晶閘管觸發(fā)板。 CPU222 應用 220V 交流電源， EM235 電源由 CPU222 提供。 （ 3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結構選擇 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ?ssKW nnnA SR ?? 1s ??。 （ 2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足lmci TT13?? 。三相橋式電路的平均失控時間 sTs ? ； （ 2）電流濾波時間常數(shù) oiT 。 同計數(shù)器指令相似， PID指令有一個使能位。對于連續(xù)的 PID 算法： ])()(1)([)(0???? t dip dttdeTdtteTteKtu () 然而系統(tǒng)編程計算的時候一般是采用離散型的增量式 PID 算法，因為指令執(zhí)行需要時間，所以不管 PLC 和高速數(shù)字信號處理器 DSP 都是采用離散的算法。 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。 PID 參數(shù)的調(diào)整 在 PID參數(shù)進行整定時如果能夠有理論的方法確定 PID參數(shù)當然是最理想的方法，但是在實際的應 用中，更多的是通過湊試法來確定 PID 的參數(shù)。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。式 ()又可表示為： )()()( sEsKsKKsU idp ??? () 公式中， U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， Kp、 dpd TKK ? 、ipi TKK ? 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。算法設計的正確選擇為從事實際問題的算法設計與分析工作提供了清晰的、 整體的思路和方法。 If 變化時間遇 到的時間常數(shù)同 Ia 變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，所需電源容量較小。模塊內(nèi)有積分環(huán)節(jié)，可 實現(xiàn)直流電機軟起動。 PLC 要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號，輸出觸發(fā)脈沖信號，其余工作均在 PLC 內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在 PLC 內(nèi)部設定。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的 調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，采用模塊式組合設計，具有控制功能強，可靠性高、使用靈活方便，易于擴展 而且 PLC系統(tǒng)開發(fā)簡單、編程容易、抗干擾能力強、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術人員的歡迎 。系統(tǒng)弱電部分檢測系統(tǒng)工作時的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機溫度、晶閘管溫度等信號，根據(jù)檢測到的信號發(fā)出控制信號。 50 年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小 、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。 重點討論了用西門子 S7200 系列 PLC 中的 CPU222 及其 兩個擴展模塊來實現(xiàn)直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。應用 PLC 的 PID 功能指令來實現(xiàn)直流電機速度的閉環(huán)控制。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。在 船舶主機遙控系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)中央冷卻控制系統(tǒng) 等重要設備上得到了廣泛應用 。它能充分利用電機的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用控制方法介紹 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用矩形逼近離散化方 法 時 ， 這種算法 分析簡單 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和限幅器的作用是分開的，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有積分飽和作用， c(k)值將會變得很大，轉(zhuǎn)速將會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，使速度調(diào)節(jié)時間變得很長。根據(jù)用戶實際需要，可調(diào)起動時間，給用戶預留了 2個端口，調(diào)節(jié) 2個電位器，可改變積分時間長短，從而改變電機起動時間。 （ 3） 改變電樞電阻調(diào)速 在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設備簡單，操作方便。算法設計與算法分析是不可分割的，算法分析是對于設計出的每一個具體的算法，利用數(shù)字作為工具討論它的各種復雜度，就是算法分析的主要任務。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。 因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 增大比例系數(shù) P 一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小 (一般縮小為原值的 )，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。其中T 是采樣時間，總體來說采用時間越小，控制更精確，但是也不能過小，太小容易占用 CPU 資源，也容易產(chǎn)生的偏差較小，在運算的時候易被舍掉，從而產(chǎn)生積分量化誤差。當該使能位檢測到一個信號的正跳變 (從 0到 1)， PID指令執(zhí)行一系列的動作，使 PID指令從手動方式無擾動地切換到自動方式。三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了基本濾平波頭，應有 ? ? msT oi ~1 ? ，因此取 smsT oi ?? ； 蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 （ 3）電流環(huán)小時間常數(shù) iT? 。 現(xiàn)在cilm sTT ????? ? 1313，滿足近似條件。 () 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗繞性能都較好的原則取 h=5，則 ASR 超前時間常數(shù)： shT nn 0 8 6 1 7 3 ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 01 62 1 222 ?????? ? nN TTh hK；于是 ASR 的比例系蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 數(shù)為： ? ? 01 1 ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ?。 當 h=5 時， %?i? ，不能滿足設計要求，實際上這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時， ASR 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按 ASR 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 電機驅(qū)動部分 CPU222 將速度值傳送給模擬量擴展模塊 EM235 的緩沖器內(nèi)，再傳送到中間寄 PLC ( 西門子S7—200) A/D D/A 整流 運行燈 故障燈 EM235 晶閘管 觸發(fā)板 晶閘管 板式電路 直流電動機 處理 蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 17 存器，經(jīng)光電隔離后進入 D/A 轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過處理后組 成 6 個狀態(tài)：001101100110010011， ―1‖表示觸發(fā)對應的晶閘管， ―0‖表示不觸發(fā)。 A/D 轉(zhuǎn)換器將電流模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，傳送給 CPU222。當初級繞組有電流流過時，霍爾元件檢測出鐵芯中的磁感應強度 B 的大?。?V=KBi，K 霍爾元件靈敏度， B 磁感應強度， i 霍爾元件的控制電流。12V 電源，結構簡單，可以測量各種波形電流 ； 缺點：溫漂大，精度低一些 。光柵盤刻線數(shù)為 1024 線，它產(chǎn)生的脈沖列頻率與電動機轉(zhuǎn)換成固定的比例關系。 光電編碼器（增量式）主要由旋轉(zhuǎn)孔盤和光電器件組成。本設計采用了連續(xù)采集的方法。采集時序電路為個模板提供相同的采集控制信號，根據(jù)采集控制時序，地址發(fā)生器產(chǎn)生遞增的存儲 器地址，寫信號發(fā)生器對應于采集控制時序產(chǎn)生存儲器寫信號，采集電路產(chǎn)生的結果數(shù)據(jù)在寫信號控制下寫入地址發(fā)生 器產(chǎn)生的地址對應的存儲器單元中。 輸入 /輸出接口：用來完成外圍設備與 CPU 交換信息時在速度、代碼形式上的相互匹配。 （ 1） 啟動通道 在用戶程序中使用訪管指令進入管理程 序，由 CPU 通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。通道程序結束后向 CPU 發(fā)出中斷請求。下面詳細介紹。 采集工程開始時，工作程序產(chǎn)生的 SH START 使 G 變?yōu)?0， NSH 按采集要求整形產(chǎn)生普通采樣時序 SHC1。 正交采用 定時器產(chǎn)生了兩個采樣基本時序 NSH 和 OSH，其中 OSH 比 NSH 延遲 1/4 個采樣周期。 晶閘管 — 電動機電路設計 晶閘管 — 電動機電路中，采用三相橋式全控整流電路。 對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應當采用電子電路進行保護。 晶體管驅(qū)動、觸發(fā)電路的設計 驅(qū)動電路原理 電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。為此可以采用兩種辦法：一種是使每個觸發(fā)脈沖寬度大于 60176。 穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的 177。 S7 系列 PLC 包括 S7200、 S7300 以及 S7400。因此，PLC 控制系統(tǒng)軟件設計的工作將主要是用戶軟件設計。 主程序設計 本系統(tǒng)主程序采用順序查詢結構，程序流程如圖 41 所示，初 始化模塊主要是在執(zhí)行功能程序前，對有關數(shù)據(jù)寄存器、定時器、計數(shù)器送數(shù)或清零，電流環(huán)及轉(zhuǎn)速環(huán)采樣時間判斷是利用 PLC 中的 1ms 定時器完成的。PLC 要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號，輸出觸發(fā)脈沖信號，其余工作均在PLC 內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在 PLC 內(nèi)部設定。系統(tǒng)軟件由 PLC 生產(chǎn)廠家提供，并固化在EPROM 中，不能由用戶直接存取，不需要用戶干預。 濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在電路輸出端與負載見串聯(lián)電感 L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。的移相脈沖，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器電路。一般采用光隔離和磁隔離。 在每相的 SCR 橋上接有阻容吸收電路和快熔，用來降低 SCR 電壓變化率和電流變化率。 晶 閘管的過流保護 晶閘管設備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類：一類是由于整流電路內(nèi)部原因；另一類則是整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，另外，如整流變壓器中心點接蘇州科技學院 天平學院 本科生畢業(yè)設計（論文） 25 地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。其電壓、電流的量程是開關 SW SW2 到 SW