EM235的应用.docx
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EM235的应用
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。
本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。
容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。
完善的保护功能:
变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。
这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
PLC特点：
第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均无故障时间为几十万小时。
而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。
第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。
一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。
第三，设计安装容易，维护工作量少。
第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。
第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。
第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）系统结构力求简单；
（3）系统工作要稳定、可靠；
（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；
（5）人机界面友好。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABBACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
基于S7-200PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法。
系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
1本设计的控制要求：
1）系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；
2）要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；
3）用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；
4）变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；
5）具有水位过高、过低报警和提示用户功能；
2本设计控制结构:
由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。
系统控制结构如图1所示。
PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。
本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。
采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。
由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
3设备的选型
（1）PLC及其扩展模块的选型：
目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。
另外，新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？
本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。
综合分析各类PLC的特点，最终选西门子公司的S7系列PLC。
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，完全能满足控制要求。
此PLC可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K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20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，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。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
（2）变频器模块的选型：
目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABBACS800变频器。
ACS800系列传动产品最大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。
内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：
内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：
内置滤波器，斩波器及电抗器、性能卓越。
4系统的控制流程：
（1）程序设计前准备工作：
了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。
（2）程序框图设计：
这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。
（3）编写程序：
编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。
（4）程序测试和调试：
程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。
（5）编写程序说明书：
程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。
5程序结构：
本程序分为三部分：
主程序、各个子程序、和中断程序（见第四章）。
逻辑运算及报警处理等放在主程序中。
系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。
利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：
增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
6PLC编程软件。
本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。
离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。
0 引言
该应力传感器的设计是智能张拉设备研制过程中的一个重要环节。
预应力张拉涉及到环境、磨损等诸多方面的因素，是一个非线性的传递过程。
预应力张拉精度直接影响着预应力构件的安全和寿命。
所以，张拉过程一旦失控，轻则引起构件锚固端的纵向裂纹或构建应力不足，日后构件发生形变，重则引起构件裂痕，或者拉断预应力筋等重大事故。
张拉过程中，准确地测量预应力是关键的一步。
在传统的预应力测量过程中，预应力的获取是通过油泵驱动千斤顶对预应力钢筋进行张拉，预应力的是通过测量油泵的油压间接获取的，然后进行人工读数。
存在读数慢、预应力获取需要转换、传输过程有损耗等缺点。
新型应力传感器是针对传统预应力张拉设备的缺点进行设计的。
通过该传感器，将预应力钢筋受到的张拉力转化为电压信号，经西门子模数转换模块EM235CN输入处理器进行处理。
该传感器精度高、读数快，最大限度地减少了测量误差。
1 传感器机械结构设计
1.1结构描述
图1为新型专用应力传感器的弹性元件结构图。
该应力传感器是根据QFZ600-25型张拉千斤顶进行设计的穿心式传感器，配合千斤顶、张拉油泵及配套锚具完成对中、锚固和测力三项功能。
传感器的核心部件由弹性元件和电阻应变电桥构成。
弹性元件材料为40CrMnTi钢。
箔式应变片在粘贴时需要硅胶进行保护，防止因振动等外部因素引起的脱落。
信号线采用四芯屏蔽电缆，有助于降低外部强电信号的干扰。
图1应力传感器弹性元件
1.2 基本原理
图2为应力传感器工作原理图，千斤顶在油泵的驱动下进行锚固作用，其张拉力量的大小通过在千斤顶和锚具之间应力传感器获取。
应力传感器在轴向受到挤压后发生形变，粘贴于弹性元件表面的电阻应变片阻值发生变化，从而引起电桥自平衡状态到不平衡。
根据受力的大小，电阻值有相应的变化，电桥输出相应的电压值。
电桥的稳定性等因素，我们在设计传感器电路作重点研究。
1.锚具2.专用应力传感器
3.张拉千斤顶4.预应力钢筋
图2应力传感器应用原理图
预应力钢筋强度标准值fpk，根据预应力钢筋材料的不同而改变，fpk最大取值为1860Mpa。
具体设计时，张拉控制应力σcon可采用小于0.75fpk（或0.9fpk），但不应小于0.4fpk.。
我们在设计应力传感器时，考虑到损耗及过张拉等因素，取传感器可控最大张拉应力为1860Mpa。
应力传感器和QFZ600-25型千斤顶中间位置的通孔直径为43mm，设计最大可张拉预应力钢筋直径20mm，千斤顶提供最大为600KN的张拉力。
则应力传感器应能够承受的最大压力fmax见公式
（1）：
（1）
r为可张拉预应力钢筋直径.
2 传感器电路设计
图3为应力传感器的电路图。
电阻应变片组成测量电桥，弹性元件受力，电桥失去平衡。
由于该输出信号是毫伏级信号，若不加以变送，则在传输过程中，信号很容易受到外部信号的严重干扰。
为了解决这一问题，我们采用变送器将该毫伏信号转变成4-20mA的电流信号，该变送器的芯片是BURR-BROWN公司生产的XTR101。
利用阻值为250欧姆的负载电阻将输出电流信号转变成电压信号，然后将转变后的电压信号作为西门子模数转换模块EM235CN的模拟量输入信号。
图3传感器电路图
用e2表示pin4、pin6点的电压，e1表示pin3、pin5点的电压，则输入电压见公式
（2）：
调节电阻RS的取值，可以实现对测量电桥漂移的补偿。
R2、R3是调零电阻，当电压输入为零，输出电流不为4mA时，调节R2，使电流输出为4mA。
电容C1对传感器的电源进行滤波。
3 结果分析
我们用压力试验机对该传感器进行四次张拉试验，记录了不同的压力下相应的输出电压VRL（见表1），将在相同的压力值下的输出电压取平均值。
根据压力取值和平均输出电压值，我们拟合出一个反映压力值和电压值的特性曲线，该曲线为我们编制张拉控制程序提供了重要的依据。
表1压力传感器的标定
图4压力值与输出电压值关系曲线
图4为压力值和输出电压值的关系曲线，虽存在电桥电路的非线性，电阻应变片的非线性和弹性元件的非线性等因素，但由传感器工作特性曲线我们可以看出，在重要工作区间（1～500KN），压力值和输出电压值存在较好的线性关系。
4 结束语
该新型专用应力传感器适用于张拉过程中预应力的测量，结构简单，测量精度较高，很好地解决了智能内应力测量系统中的预应力测量问题，具有成本低，稳定性能好等特点。
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冷却水控制系统的实现，与冷冻水控制系统的实现类似，现只举某一冷冻水控制系统的变频器应用改造为例说明。
（1）电气设备的配置
1）SIEMENSS7－200型可编程序控制器（带模拟量输人/输出模块EM235一台），一台；
2）SIEMENSTD200型中文文本显示器，一台；
3）日立L300P￣550HFE型变频器，一台；
4）电阻远传压力表，一块；
5）PT100温度传感器（带变送器），一台；
6）电动机原星形一三角形起动柜，两台；
7）变频控制柜柜体及电控器件若干。
（2）控制系统的电气原理原起动设备与变频设备互锁后继续留用。
压力传感器与温度传感器的信号，经可编程序控制器（PLC）的EM235模拟量输人/输出模块，送入PLC进行双闭环运算，运算结果经EM235送入变频器，作为变频器的频率设定信号。
在TD200中文文本显示器上，可设定和显示回水温度、温度调节器的比例系数PW，和积分时间IW、压力调节器的比例系数PY和积分时间IY,循环水压力上限值Ph和压力下限制P1、变频器最高运行频率fh和最低运行频率f1，可显示实际回水温度值、实际泵出口压力值、变频器转速等模拟量信息，也可显示各水泵运行状态、系统故障时的故障提示等开关量信息。
控制系统的电气原理图如图1所示。
图1 控制系统的电气原理图
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来源:
ks99
135754:
摘要：
利用西门子公司小型PLC为控制中心，5.7英寸触摸屏为操作显示平台，加上晶闸管的整流和有源逆变技术组成了大容量镉镍电池组的智能维护系统即电池活化装置。
它的出现克服了镉镍电池长期使用造成的“记忆”效应，大大提高了蓄电池的使用寿命。
大容量镉镍电池以其放电电流大，使用寿命长等优点长期以来在*、铁路、电力、石油等领域占有举足轻重的地位。
但是镉镍电池明显的缺点就是存在“记忆”效应，它的存在大大的降低了电池的利用效率、严重时电池组不能放电。
例如：
铁路客车上大量使用的由GN300Ah镉镍电池组成的电池组，在段修中须同时对其进行检修维护，主要就是对其进行容量恢复。
为满足该项工作的工艺要求，在路局科委的支持下，通过与专业厂家合作，开发研制了利用西门子S7200可编程序控制器为控制中心，加上可控硅充放电技术的电池智能维护系统。
此系统具有对镉镍电池进行充电、放电和自动维护（如：
自动三充两放）等功能，充放电电流最高可达300A，电压最高可达500V。
加上大屏幕触摸屏操作界面，具有各种参数设定方便，记录自动存储，数据自动打印，充放电自动转换等优点，较大地提高了工作效率，减轻了充电工人的劳动强度，提高了设备质量和工作性能。
下面，将该系统简述如下：
1系统的硬件组成：
整个系统由两大部分组成，即以西门子S7200可编程序控制器为核心的自动控制和管理中心和以可控硅整流电路为中心的主电路。
系统原理图如下：
图1：
系统框图
1.1控制和管理中心：
以西门子S7200小型PLCCPU-224为中心，其自身带14点输入、10点输出开关量，12K的程序存储器，8K的数据存储器;外围扩展EM235作为模拟量输入输出模块，此模块具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，A/D和D/A转换精度为双极性12位精度;系统电压、电流经电压、电流变送器转换成0-5V的标准信号供PLC采集、运算和显示。
人机操作界面由步进科技的eview5.7英寸触摸人机界面来完成。
MT4300L与CPU224通过RS485通信交换数据。
操作员可通过其设定此设备的充放电电流值、充放电结束电压值、充放电时间、电池组搁置时间、记录间隔时间等工作参数;根据实际需要选择充电、放电、放充和充放充等工作模式;并可自动记录100次历史记录供保存和查阅，报表自动打印输出。
CPU224接收外围给它的开关量信号和EM235提供的模拟量数字信号，自动进行设备的工作过程和工作状态的判断，如检测到外围交流发生故障时，CPU接到命令立即停止所有工作并发出声光报警信号，提示工作人员进行检修;CPU通过模拟PI调节程序经EM235输出0-10V模拟信号来控制BSC6F-1数字型晶闸管触发板的触发脉冲，从而控制晶闸管导通角a的导通程度控制设备的输出电流、输出电压等，实现了设备的数字化和智能化。
1.2充电逆变主电路:
主要由隔离变压器，三相全桥组合可控硅和全数字可控硅触发板组成。
隔离变压器采用Y/D-11接法，可控硅触发板采用BSC6F-1型数字触发器，六路脉冲对称度不需要调整且具有相序自检测电路，当发生错相、断相等故障时其自动封锁触发脉冲，并发出信号报警。
触发板本身具有过压，过流等保护和软启动功能。
整流运行时晶闸管导通角α角工作在0-1500之间;逆变运行时β角工作在30-900之间，从而有效的防止逆变失败。
1.3触摸屏操作界面:
MT4300L型触摸屏为深圳步科电气推出5.7英寸256色度彩色人机界面，它可与多家PLC进行连接通信。
此系统通过RS485信号经PPI协议与西门子S7PLC进行数据交换和控制，触摸屏的使用彻底结束以往控制系统中繁多按钮、指示灯的应用，加上汉字显示信息显示更加清楚直观。
如图2：
图2：
显示界面
2工作过程及特点:
电池的活化即容量恢复共有三个阶段组成。
第一阶段为电池的深度放电，通过可控硅有源逆变技术将电池组的直流电逆变回馈电网，也就是电池组的恒流放电过程，通过人机界面MT4300L显示电池组电压、放电电流和放电时间等。
放电电流一般为0.2C5（C5为电池组的容量），电池组放电终止电压为1×Nv（N为电池组的只数）。
电池的放电过程其实是一个化学反应过程，当单只电池电压放电至1V时，相当于电池的深度放电，因此放电结束不能马上对电池组进行充电，否则影响电池组的使用寿命。
第二阶段为电池组的搁置过程，CPU224自动记录电池组的搁置时间，当搁置时间达到设定时间（一般搁置时间应设置2小时），自动进入第三个阶段，即电池组均充。
电池组的均充电流为0.2C5A，整个均充分两个过程，即恒流充电阶段和恒压限流阶段，整个过程全部由控制中心来协调完成。
一般电池组充电结束条件为8小时充电或单只电池电压爬升到1.65V。
从开始放电到充电结束整个活化过程全部由PLC控制中心来完成，无须人员操作。
为了使设备具有良好的适用性，利用西门子S7200PLC控制灵活等特点，设备设置了4种工作模式即充电、放电、放充和充放充模式;且充放充模式可以设置循环次数，如循环次数设置两次，设备能自动的实现对电池组的“三充两放”。
图3：
主程序流程
3软件设计思想
西门子S7200PLC可采用梯形图语言编程、语句表和功能图三种编程语言。
本系统采用最贴近工程设计和易懂的编程语言梯形图;编程软件采用STEP7-MICRO/WINV32。
整个程序采用模块化结构设计，分主程序、初始化子程序、充电子程序、放电子程序、历史数据存取子程序、AD采样子程序和DA输出控制等七个子程序。
触摸屏人机界面MT4300L和CPU224之间由RS485通信（PPI通信协议）通过变量数据存储器VW来进行数据间的交换和控制。
上述四项功能程序中分别容进了电压、电流模拟量采集、运算、显示和控制程序。
梯形图的编写主要运用了定时器、数学逻辑运算等指令。
因活化装置要有恒定的电流输出，所以CPU224通过EM235模拟量输出给可控硅触发板BSC6F-1电流给定值需要模拟PI运算;即采集的实际电流数字值（反馈值）与操作员通过人机界面设定的给定电流值进行比较，CPU经相应数学运算，通过EM235模拟输出0-10V的直流电压信号，此信号传给晶闸管触发电路实现数字调压，从而保证系统恒流充电和恒流放电。
梯形图程序如下：
图4：
充电电流调整梯形图程序
梯形图程序中VW302为电压显示值寄存器，VW68为电压设定值寄存器;VW300为电流显示值寄存器，VW66为充电电流设定值寄存器;VW632为模数转换数字量暂存器。
Q0.3闭合表示充电，当电池组电压值VW302小于设定值VW68且电流值VW300小于设定充电电流值VW66，模拟量输出值VW632不断增大到充电电流等于设定电流值为止（VW632最大值为31999）;反之，VW632值不断递减。
当充电电压高于设定的电压值时，模拟量输出值不断递减，保证充输出电电压不高于设定的电压值。
4结束语
该系统于2007年研制投入试用，经过1年多的现场考核，完全满足现场要求，并开始在路内外推广使用，获得使用单位的一致好评。
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