【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(yīng)用程序，用來實現(xiàn)各種控制要求。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 第 4章 軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序設(shè)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(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)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(yīng)導(dǎo)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(fù)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(guān)系如圖 33。 （ 3） 通 程序結(jié)束 當(dāng)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(jié)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(jié)束三個部分 。各種外圍設(shè)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(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖 32 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采 集圖 在以上采集電路結(jié)構(gòu)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(biāo)影響非常大。特點 ： 需提供 177。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)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(dāng)然是最理想的方法，但是在實際的應(yīng) 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(shè)計的正確選擇為從事實際問題的算法設(shè)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(yīng)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(shè)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(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)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(shè)計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術(shù)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(yīng)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(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(shè)備上得到了廣泛應(yīng)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(fù)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(yù)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(shè)備簡單，操作方便。算法設(shè)計與算法分析是不可分割的，算法分析是對于設(shè)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(fù)雜度，就是算法分析的主要任務(wù)。 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(yīng)，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(shè)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(dāng)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(yīng)有 ? ? msT oi ~1 ? ，因此取 smsT oi ?? ； 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)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(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 數(shù)為： ? ? 01 1 ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ?。 當(dāng) h=5 時， %?i? ，不能滿足設(shè)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(yīng)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(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)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(yīng)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(dāng)初級繞組有電流流過時，霍爾元件檢測出鐵芯中的磁感應(yīng)強度 B 的大?。?V=KBi，K 霍爾元件靈敏度， B 磁感應(yīng)強度， i 霍爾元件的控制電流。12V 電源，結(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)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(yīng)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(jié)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(yīng)的存儲器單元中。 輸入 /輸出接口：用來完成外圍設(shè)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(jié)束后向 CPU 發(fā)出中斷請求。下面詳細(xì)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(shè)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(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進行保護。 晶體管驅(qū)動、觸發(fā)電路的設(shè)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(shè)計的工作將主要是用戶軟件設(shè)計。 主程序設(shè)計 本系統(tǒng)主程序采用順序查詢結(jié)構(gòu)，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(guān)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(shè)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(yù)。 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(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在電路輸出端與負(fù)載見串聯(lián)電感 L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。的移相脈沖，可以方便地構(gòu)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(shè)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(fù)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(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 地，當(dāng)逆變負(fù)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(guān) SW SW2 到 SW