西门子模块6ES214-2BD23-0XB8原装代理

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O 引言
    某型航空电源车是**某型飞机起动而设计的一种多功能综合型电源车。采用了PLC-EM23l组合控制技术、FSLW双流无刷电机，模拟某型飞机发动机启动过程，增加了直流O～70 V起动电源。经过使用，其电源品质和可靠性完全满足某型飞起的启动要求。

1 某型航空电源车O～70 V控制原理
    某型电源车0～70 V是从3～4 V左右逐渐增大到70 V左右的直流电源。其控制方式是在双流发电机直流电压励磁调节的基础上，采用PLC可编程控制技术，通过发电机进行采样，由软件控制来实现，其控制原理图见图1。0～70 V输出是通过控制接触器对飞机供电，并和28．5 V输出互锁。通过可编程器输出的PWM信号控制IGBT调整管的导通时间，以此来控制励磁电流的大小，改变发电机的输出电压。同时通过输出采样电压的采样分析判断，对PWM的输出进行补偿和时间调整，以保证O～70 V电压的输出能够满足某型飞机起动特性要求。

工作过程为：由飞机起动系统向地面电源设备发出“升压控制”信号，通过地面电源设备的O～70 V励磁控制电路，按照设计要求自动转换发动机励磁方式，使发电机端电压从其剩余电压逐渐上升到70 V左右。起动升压状态如下：**阶段，发电机以并励为主，发电机输出从剩磁电压3 V左右迅速上升到14 V左右，电流从零猛增到1900 A左右；第二阶段，发电机由并励转为串励状态，串励后发电机电压从14 V左右上升到38 V左右，起动电流从1900 A左右下降到1200 A左右；第三阶段，飞机发动机起动过程的最后阶段，在这一阶段发电机工作在复励状态，发电机端电压从38 V上升到70 V左右。

2 PLC在直流O～70 V启动电源中的设计
2．1 硬件设计
    采用继电器的控制电路中，发电机励磁方式的两次转换是由两个继电器吸合来实现控制的，对继电器吸合电压的准确性要求较高，吸合电压由分压电阻采样发电机输出电压，由电位器来控制，随着分立元件的长时间使用，性能参数等发生改变，都会使继电器吸合电压发生改变；另外采用继电器作为转换控制器件，可导致发电机在升压阶段中电压的每一个转折点处，电压、电流都不是平滑改变的，这将降低用电设备的使用寿命。

    采用PLC可编程控制器控制电路，可以平稳控制，使发电机输出电压、电流无极变化，延长用电设备使用寿命。西门子S7-200系列可编程控制器，其中*处理单元采用CPU224，模拟量输入模块采用EM231，。西门子S7-200系列可编程控制器使用CPU224，CPU224集成14输入／10输出共24个数字量I／O点，可连接7个扩展模块，较大扩展至168路数字量I／O点或35路模拟量I／O点，13 k字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS485通讯口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I／O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
    CPU224的IO．O输入端口检测到飞机起动信号时，通过电阻分压和电流传感器对发电机的输出端电压和输出电流进行采样，采样值进入PLC模拟量输入模块EM231，由*处理单元CPU224内软件控制，对地面起动电源发电机输出电压和回路电流进行分析判断，比照飞机发动机各阶段所需的电压和电流起动波形，根据判断结果实时在其QO．O端口输出各起动阶段需要的PWM信号来控制大功率MOS管，以此来控制地面起动电源发电机励磁电流的大小，从而改变发电机的输出电压，以保输出的0～70 V电压严格满足飞机启动特性的要求。
2．2 软件设计

 △P(k)=Kp[E(k)-E(k-1)]+KiE(k)+Kd[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]其中：P(k)：为第K次采样时调节器输出，E(k)：为第K次采样时的偏差值，Kp、Ki、Kd：PID比例系数。通过采样电压的变化，采用实时控制，闭环调节励磁电流，用PID调节规律，不断修正PID比例系数，按照较佳匹配参数进行输出脉冲宽度控制，使发电机输出电压既满足0～70 V电压逐步升高的起动规律，又保证了各阶段时间节点之间电压的稳定性，使飞机起动电压和转速稳定上升。

2．3 软件控制过程
    电压传感器将O～70 V电压转换为0～5 V的直流信号传输给PLC的A+端；电流传感器将0～2500 A电流转换为0～5 V直流信号传输给PLC的B+端；PLC实时采样，计算出△I／t、△V／t的变化值。
    (1)采样时间开环，电压、电流双闭环控制方式调整电压输出过程，参照某型飞机的起动过程中时间与电压的对应关系而设置，即：0～3 s前，电压上升至1．5～7 V；3～20 s前，电压上升至7～19 V；20～30 s前，电压上升至19～35 V。
    (2)根据电压、电流的变化，非线性分阶段对输出电压进行调整，即根据电流的变化△I和△I／AT电流变化率的制定控制参数的选取，通过软件模糊调节器来控制PWM大小及继电器工作的次序。PLC实时采样，计算出△I／△T、△U／△T的变化值。根据控制要求，确定时间对应变化关系。采用模糊智能控制方式方可得到有效控制的目的。

   根据模糊关系和模糊精确表，改变PWM控制输出占空比，使得励磁电流通过模糊决策算法，根据模糊精确表进行控制。根据实时采样值达到的偏差值进行推理后，逐步修正输出因子的控制值，从而改变占空比，来达到改变励磁电流的目的。再根据电流、电压、时间的隶属关系，进行再一步的修正，较终实现输出控制稳定电压O～70 V的目的。
2．4 实验结果

 ②模糊矩阵

    ③模糊变换
   根据A=(X1，X2，X3，X4，X5)；B=(V1，V2，V3)，求得B=A·R。
    ④模糊决策
    若1．5～2 s电压低于6～8 V，执行R=(X1·U1)U(X1·U1)；若4～20 s电压低于18．5～19．5 V，执行R=(X2·U2)U(X2·U2)；若20～40s电压低于19．5～35 V，执行R=(X3·U3)U(X3·U3)。

3 结束语
    PLC可编程控制器在某型航空电源车O～70 V中的应用满足了某型飞机起动要求。采用数控方式，使起动时间节点与飞机上定时机构动作时间一致，电压变化平滑，飞机转速稳步上升，起动瞬时起动电流小，提高了飞机发动机使用寿命。PLC可编程控制器具有的高可靠性、编程简单易用等特性，使得其在工业自动化控制领域的应用越来越广泛。

对于由伺服电机带动的旋转物体进行位置控制，通常采用套轴式的电磁旋转变压器加复杂的处理电路来实现角度的编码，再由角度编码进行位置的闭环控制。上述的位置控制多用于测角精度要求高的场合中，设备构成复杂、成本较高。在某些实际应用中，需要进行较为简单的位置定位。比如在一个由伺服电机带动的机械机构需要在360°的旋转范围内进行4个或多个档位的定位，实际应用中像建筑行业中控制阀门的大小来对给水量、水泥量、沙石量进行控制或工程控制，这样的定位控制精度要求不高，采用上述的方法进行位置控制显然不够经济，成本过高。
    PLC(Programmable Logic Controller)在工业控制中应用广泛。其高可靠性、高稳定性、友好的编程环境以及辅以触摸式人机界面，使得各种工业控制更方便直观、经济可靠。这里主要阐述了基于S7-200PLC实现位置控制方法。

1 系统硬件设计
    该系统是以PLC控制器为核心的位置控制系统，包含伺服电机、光电编码器、操作及显示屏、上位计算机、伺服电机控制电路和状态返回电路。1．1 S7-200 PLC
    该系统设计核心部件采用西门子S7-200系列的PLC，该系列PLC功能丰富，具有多种功能模块，可方便通过人机界面对设备进行操作和监视其状态，高版本的PLC主机拥有2个通讯端口，在使用人机界面对设备进行操作的同时还可通过RS-485接口和计算机实现逻辑运算及状态管理，对设备进行远程控制和监视。该系统使用S7-200 PLC的一个重要的功能：高速可逆计数。光电编码器和伺服电机同轴连接，伺服电机旋转带动光电编码器产生连续的脉冲串，PLC通过输入点读取光电编码器产生的脉冲，实现高速可逆计数。例如设置高、中、低3个给水量档位并进行控制。在调试阶段应**动伺服电机进行3个给水量的位置标定，也就是说，高、中、低3个档位分别对应一的脉冲数。应该注意的是，由于采用的是增量式光电编码器，也就是说，当编码器掉电后并不能将当前的脉冲数保存。所以在旋转机构上还要设置2个限位开关，一
来保护机械结构；二来把逆向的限位开关的位置定为零位，这样相对于这个零位的高、中、低3个给水档位从光电编码器读到的脉冲数即为这3个档位的位置。这3个位置可通过PLC编程对其控制。

1．2 光电编码器
    光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用较多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的装置输出若干脉冲信号，此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。光电编码器的相位判断角度为90°±45°；另外图中标识的CW(顺时针)和CCW(逆时针)可以根据实际应用在PLC程序中自行定义。

2 系统软件设计
2．1 设计要点
    该系统软件设计的重点为：1)准确配置高速计数器；2)位置控制器的允差设计，允差的选择应尽量小以提高伺服系统的控制精度，在满足系统定位精度的前提下，允差的设计上还需要考虑于机械结构定位的分辨率，以免设置值过小机械结构控制不到位而引起驱动电机反复转动调节，往往需要现场标定；3)初始位置的精确标定，需要注意的是初次标定各档位位置时应使用手动控制方式，并且要将机械限位开关状态接入PLC。由于采用增量式光电编码器，计数器当前值要存在PLC的掉电可保存寄存器MDl4中。
2．2 程序设计
    在程序中首先需要将高速计数器配置为A／B相正交输入，4倍计数速率，增计数，并使能高速计数器，然后将标定好的各档位位置填入相应的地址中，并且设置允差为两个脉冲，也就是说各档位的脉冲数加减2即为相应的到位。伺服系统传动装置的间隙是多样性的，并且对伺服控制的性能有影响，设置允差的目的是为了由于伺服传动间隙引起的系统不稳定，从而准确定位。

在程序设计时除顺、逆限位和顺转、逆转的互锁程序外，重点在于如何用PLC实现多点重复定位。

3 工程应用情况
    这种设计方法被利用在某雷达工程的衰减器控制的4位置定位系统中，系统要求驱动机械部件在0°～360°内的4个位置往返定位，定位精度要求O．1°。在具体的设计中驱动电机选用型号为55TYD02的交流电机，编码机构选用型号为OMRON E6B2的相对式光电码盘。位置的行程范围360°对应于8 400个脉冲，则使用S7-200 PLC高速计数器读入的位置分辨率为360°／8400=0．043°；根据机械结构实际标定位置允差值设置为2个脉冲，此定位系统的控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，电机正向或反向运转一次到位，快速准确。

4 结束语
    PLC适用于比较恶劣的工业环境，通过其通讯口和上位计算机实现通讯，可以使操作人员在安全的环境下实现远程控制；光电编码器构造原理简单，机械寿命可达几万小时以上，抗干扰能力强。由两者为核心构成的硬件电路实现位置控制方法适用于具有多个设置点重复定位的机械旋转控制设备，完全满足一般的工业控制要求。这种设计原理清晰、硬件需求明确、易于实现、调试维护方便，具有很好实用和适用性。上述的位置控制方法已经应用于某雷达工程的衰减器控制中，其控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，设备运行稳定可靠，效果良好。

随着中国工业经济的发展，PLC在中小型自动化设备的日益普及应用，对于设备制造厂商或生产技术管理部门来说，如何以较快捷的方式响应现场设备维护方面的需求，迅速生产现场运行设备的状态，及时解决生产现场反映的问题，已是多数上位技术管理者的切实需求。如何采用经济实用的方式来实施远程PLC设备数据采集或测控，这也是探索解决此问题的初衷。

1 系统组成概述
    系统硬件主要由上位计算机、TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程Siemens S7—200 PLC 3部分组成，具体结构如图1所示。系统软件分为上位PC和下位PLC两部分，上位PC部分提供人机交互操作界面和相应的数据选择、处理等；下位PLC则通过自由口通讯，以中断方式快速响应上位机对PLC变量存储器数据的读写操作或对I／0口读写操作需求。由于上位计算机与远程PLC的通讯载体是通过TC35i建立在GSM网络基础上的，从而打破了地域的限制，即便远端PLC设备在千里之遥，实施数据采集、测控的如同咫尺。

2 系统硬件设计
2．1 TC35i无线通讯模块
    系统硬件主要是TC5i无线通讯模块的应用。TC35i是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，TC35i双频工作(EGSM900／GSMl800)，电源范围在3．3～4．8 V，发送功率分别为2W(Class4 EGSM900)和lW(Classl GSMl800 MHz)，TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300～115 kb／s的波特率下运行，支持的自动波特率为4．8～115 kb／s，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口。为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35i有40个引脚，通过ZIF连
接器引出。这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。

  ZIF40PIN的引脚1～14为电源部分，其中引脚l～5为电源电压输入端VBATT+，引脚6～10为电源地GND，引脚11～12为充电端，引脚13为对外输出电压(供外部电路使用)，引脚14 ACCU／TEMP接负温度系数的热敏电阻；引脚24～29为SIM卡连接端；引脚33～40为语音接口用来接电话手柄。引脚15、30、31和32为控制部分，引脚15为启动线IGT(Ig-nition)。当TC35i通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。引脚30为RTC back up；引脚3l为掉电控制：引脚32为SYNC，引脚16～23为数据输入／输出端。TC5i无线通讯模块的主要外围电路的连接如图3所示。数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串口通信。

2．2 系统硬件连接
    系统硬件的连接可参考图1可知，上位计算机的串口输出与由TC35i构成的GSM MODEM中的9芯RS232口直接连接；远程的GSM MODEM与PLC连接时则必须通过RS232到RS485的转换，这是Siemens PLC的通讯口数据和PPI编程电缆连接的必要条件。另一方面必须注意的是，在与远程GSM MODEM的RS-232串口连接时，还必须将RS232串口中的RXD和TXD对换连接，否则将不能正常通讯。
2．3 远程PLC的选型
    该系统选用西门子S7—200 PLC，在西门子PLC中SIMATIC S7—200是一个系列，其中包括多种型号的CPU，这里选用CPU-222，由于CPU不提供模拟量的输入输出，为对模拟量数据的远程读写。因此在远程PLC系统中扩展一型号为EM-235的4输入1输出模拟量模块。

3 系统软件设计
3．1 系统上位计算机人机界面
    系统上位的人机界面是用VB编程，提供人机交互操作界面及数据选择和相应的数据处理等功能。在操作界面的左上部是通讯链接控制框，这里只需要正确选择PC的串口并输入远程PLC所连接的电话号码后即可拨号链接，远程的无线GSM MODEM模块摘机响应一般设置为铃响后自动摘机，通讯链接建立后，当上位PC检测到串口端的数据载波DCD信号后，通讯链接控制框中的“链接状态”指示灯由红变绿，表示通讯链路已成功建立。拨号或的操作均是通过对GSM MODEM模块发送AT指令执行的。

  对PLC数据的读写操作如操作界面的右上部所示，在相应文本框内填写好数据的类型、地址、数值和操作方式后点击“发送”即可执行对PLC的读或写操作。界面的下半部分显示的是PC串口发送和接收的代码以及当前操作的结果。
3．2 系统上位计算机的串口设置
    在上位PC的人机界面中，串口的设置是通过下拉选择框选择出所连接的串口后由程序自动读取。在使用GSM MODEM无线模块时，上位PC对远程PLC链接呼叫时采用的是AT指令。程序语句为：MSComm1．Output=“ATDT”&Trim (Text1．Text)& vbCrLf／／Text1文本框内为欲连接的电话号码。的AT指令为：MSComml．Output=“ATDT”＆“+++”& vbCrLf。串口数据格式的设定语句为：MSComml．Settings=“9600．  N，8．1”，与TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程PLC自由口的串行数据通讯格式一致。
3．3 通讯数据格式的约定
    由于远程PLC采用的是自由口用户通讯方式，这里对每次收发数据字节暂约定为18个字节，数据字节的多少可根据实际需要而酌情约定。本系统中18个字节的约定：Bybbb为数据的总字节数；Bvte2为数据开始特征字；Bvte3为数据读或写特征字：Byte4为数据类型特征字；Bvte5～Byte8为PLC数据地址；Bvte9～Bybbb6为PLC数据的数值；Bybbb7为收发数据的校验码；Bvbbb8为数据结束特征字。串口数据的传输除数据地址字节和数据数值字节用ASCII码表示外，其他均以十六进制方式表示。因而在上位PC的编程中需涉及大量的进制转换操作。特别要注意的是由于PLC中的实数采用32位单精度数表示，并按照ANSI／IEEE745 1985标准格式以双字长度来存取，所以无论是上位的PC或是下位的PLC在编程时对实数数据的处理均需严格遵循ANSI／IEEE7451985标准格式的规定，否则将不可能读到正确的数据。
    通讯数据的校验方式采用BCC块进行XOR校验，即约定为从每次数据包的Byte2到Bybbb6的字节进行校验，Bvbbb7存放校验结果。上位或下位在接收数据时，首先对所接收的数据进行校验并将计算结果与Bvbbb7所存放的数值进行比较，如不一致时则按约定要求重发，以**每次传输数据的正确性。
3．4 远程PLC自由口通讯初始化编程

 远程PLC经上述设置后，在其运行期间每当接收到一组数据后便自动产生中断请求，在中断服务的子程序中，设定一标志位(如MO．0)置位，用来表示允许进入中断服务，在主程序中通过检测M0．O的状态来确定是否转入读数据操作的子程序，读数据操作完毕后及时将接收数据标志M0．0复位，从而完成一次读数据过程。PLC数据的上传则是根据所读数据的内容来响应上位的请求，上传数据的编码和字节均依照约定的格式写入，每次的读写操作仅在PLC一个扫描周期内(数毫秒)完成，系统的响应是实时的。
3．5 远程PLC数据的读写操作
    PLC数据的读写是依据约定的数据类型实施操作的。对于字节、字、双字、实数及I／0端口各自有约定的数据类型特征字，在下位PLC程序中通过对数据类型特征字的解析后来确定读取数据的字节数。对I／0端口的读写操作则是根据约定的编码直接读写出相应的状态信息。每组收发数据的存储单元从VBl00到VBll7共18个字节。由前述的数据发送量的约定可知，每组数据的Byte5～Byte8表示PLC数据的地址，由于每次读写的地址是不同的，所以Byte5～Byte8字节给定的就是地址指针，在PLC编程中就要以此指针采用间接寻址的方式，设Byte5～Byte8存放在PLC的VB104～VBl07单元，其间址指令则为：
    MOVD &VBl04，ACl读取该地址内容时则根据数据类型的不同而有所区别，如读写字节时指令为：MOVB*ACl，VBl60；则读写字的指令为：MOVW *ACl，VWl60；读写双字的指令为：MOVD *ACl，VDl60；读写实数的指令则为：MOVR *ACl，VDl60。

4 结束语
    本系统经实际测试基本达到了预期效果。远程PLC在省际间距离的测控响应与在本市区地域的测控响应基本相同，通过对PLC I／O的读写、模拟量数据的读写、单字节、双字节及实数的读写，均未出现数据差错现象，远程的响应速度基本上是对上位的指令立即响应，操作人基本感觉不出时间的延时。在PLC中，由于本远程测控程序字节量较少，完全可以嵌入在PLC的过程控制程序中运行，由于在自由口通讯中，
对上位PC读写的响应采用的是中断方式快速响应，所以对PLC的过程控制程序的实时性基本无影响。