西门子模块6ES516-3UN00-0AB0型号介绍
电流型控制是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较．从而对输出脉冲的占空比进行控制，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。电流控制型是一个一阶系统，而一阶系统是无条件的稳定系统。是在传统的PWM电压控制的基础上，增加电流负反馈环节，使其成为一个双环控制系统，让电感电流不在是一个独立的变量，从而使开关变换器的二阶模型变成了一个一阶系统。信号。从图2中可以看出，与单一闭环的电压控制模式相比，电流模式控制是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，内环由互感器采样输出电感电流形成。在该双环控制中，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每一开关周期内上升，直至达到电压外环设定的误差电压阂值。电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且监测输出电感电流的动态变化，电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的带宽。
图2 电流型控制原理框图
Fig2 The principle of current-control
电流型控制模式有不少优点：线性调整率（电压调整率）非常好；整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得以提高并且改善了频响，具有更大的增益带宽乘积；具有瞬时峰值电流限流功能；简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计，减少了元器件的数量和成本，这对提高开关电源的功率密度，实现小型化，模块化具有重要的意义。当然了也有缺点，例如占空比大于50％时系统可能出现不稳定性，可能会产生次谐波振荡；另外，在电路拓扑结构选择上也有局限，在升压型和降压—升压型电路中，由于储能电感不在输出端，存在峰值电流与平均电流的误差。对噪声敏感，抗噪声性差等等。对于这样的缺点现在已经有了解决的方案，斜波补偿是很必要的一种方法。
2． 芯片内部模块的设计
本目的是设计一个基于PWM控制的boost升压式DC-DC电源转换芯片，该芯片实现基于双环（电压环和电流环）一阶控制系统的电流模式PWM控制电路, 在该集成模块内将包括控制、驱动、保护、检测电路等。后在电路系统基本框架的基础上，结合电力电子技术与微电子技术，采用采用BiCMOS工艺，具体针对DC-DC变换电路的实现进行研究。
系统方面的设计以及系统框图和各个功能模块的设计思想
图3 系统模块原理框图
Fig3 The principle of module inner system
下面分别的介绍系统各个功能模块：
① 误差放大电路 误差是用于调整变换器的高增益差分放大器。放大器产生误差信号，他被供给PWM比较器。当输出电压样本与内部电压基准比较并放大差值时产生误差信号。误差放大器的2号脚Vref就是基准电压产生的固定基准。
② PWM比较器 当来自电流取样信号，当然是电感电流和振荡器产生的补偿谐波想加后的电流信号，超过误差信号时，PWM比较器翻转，复位驱动锁存器断开电源开关，以此来控制开关管的开通与关断。
③ 振荡器模块 振荡器电路提供一定频率的时钟信号，以设置变换器工作频率，以及用于斜率补偿的定时斜升波。时钟波形为脉冲，而定时斜升波就是用于斜波补偿的，在电感取样端相加。
④ 驱动器锁存器 锁存器包括RS触发器与相关逻辑，它通过接通和断开驱动电路来控制电源开关的状态。来自锁存器的低输出电平把它断开。正常工作方式下，在时钟脉冲期间触发器被置为高电平，当PWM比较器输出变为高电平时锁存器复位。
⑤ 软启动电路模块 当整个系统刚启动时，电感产生一个很大的冲击电流，软启动让系统开始时不能在全占空比下启动，使输出电压以受控的上升速率增加至额定稳压点。设计思想是利用外接电容的充放电使得占空比慢慢提高，达到输出稳定的目的。
⑥ 电流采样电路 提供斜率补偿电流灵敏电压给PWM比较器。
⑦ 保护电路模块 监视电源开关的电流，若该值超过额定峰值，则该电路作用，重新开始软启动周期。
3．设计中必须要考虑的几点细节问题
① 关于斜波补偿
这是在上文提到过的电流控制型开关变换器中存在的根本性问题。电流控制型就是将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接到PWM比较器的两端进行比较，用来控制开关管。下面分析斜波补偿的原因。如下图分别是占空比大于50%和小于50%的尖峰电流控制的电感电流波形图。
图4 斜坡补偿原理分析
Fig4 The principle of slope-compensate
其中Ve是电压放大器输出的电流设定值，ΔI0是扰动电流，m1,m2分别是电感电流的上升沿及下降沿斜率。由图可知，当占空比小于50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l变小了，而占空比大于50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l变大了。所以尖峰电流模式控制在占空比大于50%时，经过一个周期会将扰动信号扩大，从而造成工作不稳定，这时需给删比较器加坡度补偿以稳定电路，加了坡度补偿，即使占空比小于50%，电路性能也能得到改善。因此斜坡补偿能很好的增加电路稳定性，使电感电流平均值不随占空比变化,并减小峰值和平均值的误差,斜坡补偿还能抑制次谐波振荡和振铃电感电流。这里就不再详细地说明，斜波补偿方面必须要确定补偿波形的斜率的**大小，采用的方法就是建立系统模型，导出传递函数，计算出补偿斜率的值。这是很关键的一步。
② 关于软启动问题
DC/ DC开关电源在启动过程中 ,容易产生浪涌电流 ,可能对电子系统产生损伤。为避免启动时输入电流过大，输出电压过冲，在设计中必须采用软启动电路，该方法的不足之处是 ,当输出电压的阈值未达到时 ,发生浪涌电流现象可能对电子系统造成损伤 ,而且在输出电压达到阈值之后 ,也可能因为偶然的过流使得电源多次重新启动。因此应采用基于周期到周期的电流限制门限来限制上电时的浪涌电流，并防止电源多次重新启动。如图5
图5 软启动电路
Fig5 soft startup circuit
4.总结
本文对开关电源工作原理进行了详细的分析，对芯片内部模块进行了设计，后采用BiCMOS工艺对芯片进行实现。，对芯片系统方面的设计又整体的把握，详细的论述了芯片设计的思想，这种方法对其他领域的芯片系统设计又很大帮助，因此有很大意义。
1. 项目简介
承钢5号高炉炼铁车间的规模为一座2500m3高炉及其所属辅助设施。主要工艺包括：2500m3高炉主体工艺设施，其中炉顶采用无料钟串罐方式，热风炉系统采用3座顶燃式热风炉和2座预热炉的方式；高炉循环水泵站；高炉喷煤制粉站；高炉除尘设施；槽上供料设施,鼓风机站,空压机站,锅炉房等。本项目的控制范围涉及上述工艺系统及其所属辅助工艺设备。工艺总貌如图1所示。
承钢5号高炉的基础自动化控制系统是典型的电仪合一的大型高炉控制系统，具有较高的控制水平，系统包括：矿槽控制系统、炉顶控制系统、高炉本体控制系统、热风炉控制系统、出铁场控制系统、布袋除尘控制系统、水冲渣控制系统、煤粉制备控制系统、煤粉喷吹控制系统、高炉水处理控制系统、鼓风机站及其水处理控制系统、煤气柜控制系统、锅炉控制系统等。
图1：高炉工艺总貌
2. 控制系统构成
本工程的控制系统考虑了SIEMENS公司“全集成自动化”的理念，不仅选用了标准的PCS7控制控制站和操作站及相应软件，还选用了SCALANCE系列的网络产品，其中包括冗余AS控制器4套，标准AS控制器11套，具有热插拔功能的ET200M单元62套，Y-bbbb耦合器1套，OS SERVER 硬件及软件1对（套），OS CLIENT硬件及软件10套，OS 单站硬件及软件14套，ES 工程师站硬件及软件9套，SCALANCE各系列交换机21台以及网络附件若干。控制系统配置图如图2所示：（公辅系统从略）
图2：控制系统配置图
各控制站、控制站与操作站之间采用工业以太网连接。其中，高炉主体部分为1000M光纤环网，操作站为SERVER/CLIENT结构，设有冗余SERVER对和工程师站，在PlantBus和TerminalBus环网中选用了SCALANCE X414-3系列的1000M冗余管理型交换机；其它公辅系统以100M光纤星型方式接入主环网，该部分选用了SCALANCE X200系列的交换机。
控制器部分，对于矿槽系统、炉顶系统、高炉本体系统、热风炉系统等高炉主体部分选用AS417-4-2H组件包（双电源模块、双CPU模块，双以太网通讯模块、双PROFIBUS通讯网络），其它公辅系统选用AS414-3组件包。ET200M I/O部分选用带有热插拔功能的有源背板和具有高性能的接口模块IM153-2HF，对于热备系统则选用双电源模块、双总线接口模块。
工程师站、操作员站（包括SERVER、CLIENT、单站）均选用预装有PCS7软件的SIEMENS IL43系列工控机。
对于热备系统的PROFIBUS网络，选用Y-bbbb将具有PROFIBUS接口的传动装置和编码器接入并实现切换的功能。
本系统还留有于二级系统的网络接口，通过SCALANCE X200系列交换机连接至主环网并通过SCALANCE S硬件防火墙隔离。
3. 控制系统完成的功能－用户自定义功能库
在PCS7所提供的功能库的基础上，我们对其进行了延伸和扩展，开发了适合冶金行业特别是高炉控制方面的自定义功能库。通过使用该功能库，工程师一次性的编程即可完成如下工作：
AS控制器中运行的过程控制回路控制算法；
针对控制回路在上位机中相关画面下对应的监视回路图标；
控制回路在上位机中对应的操作及参数设置子画面；
控制回路对应的相关报警信息、趋势归档及用户操作记录等。
如图3所示的矿槽系统流程图中包括了各种电机、电磁阀、电动阀等69个电气回路，都是通过在CFC中调用自定义功能库中相应类型的功能块并编译OS自动上传至流程画面的。下面结合不可逆电机块MOTOR_NR介绍自定义功能库实现的功能。
图3：矿槽系统流程图
3．1．AS中的功能块类型（block types）
首先需要定义功能块的特性、声明功能块参数和本地变量。在这部分中，我们注重考虑了功能块头和功能块参数中报警和OCM（operator control and monitor）这两个属性，以便可以将需要的变量状态和报警消息显示在block icon或faceplate上。例如电机的运行状态、连锁状态、处于何种被控方式、是否处在报警状态等，都可以通过定义功能块管脚的OCM属性上传。还定义了功能块管脚的文本属性，从而可以在功能块实例对应管脚的属性对话框中组态用于在OS上显示的文本。如图4中所示，由于在声明参数属性的代码中定义了参数MONITOR、TIME_ON的文本属性，因而可以在MONITOR管脚的的属性对话框中定义当MONITOR=0时显示“监视切除”，当MONITOR=1时显示“监视投入”；在TIME_ON管脚的属性对话框中定义其用于显示的标签名“监视时间”和单位“秒”。这样使得大量用于显示的信息都可以在AS中组态和修改，很好地保证AS/OS的一致性，并大量节省HMI的工作。
通过调用SFC6(RD_SINFO)读取到相关的OB信息，实现了功能块的初始化和异步启动及容错处理。例如，当读取到CPU暖启动时（OB100），我们编写了某些重要参数的初始化程序，当读取到中断信息（OB80、OB86），则编写了错误中断或循环中断处理程序。另外，通过定义SAMPLE_T管脚并配合激活编译时的”Up date Sampling Time”功能，可以自动采集调用当前功能块的循环OB的时基值，省去了改变功能块调用OB后的手动改写，既方便又减少了由于忘记改写而带来的错误。
通过调用Alarm_8p功能块，组态了用户定义功能块中的报警消息，将该功能块中需要显示的报警消息上传至OS，如电机故障、运行超时故障等。AS控制器从Stop状态到Run状态的过程中，CPU需要处理相关的初始化代码，建立与上位机的通讯连接等。系统启动后再开始执行循环程序，如果在启动初期，系统各控制回路同时有很多的报警消息需要上传到OS，势必导致此时的CPU负荷偏大。因此，在功能块的代码中考虑了报警抑制部分。此代码在系统启动初期（或该功能块被调用的前几个循环中）抑制该回路的报警输出。完成了Alarm_8p功能块的组态和报警抑制代码的编写之后，还需要完成该功能块的报警组态。在报警组态对话框中，定义了功能块的报警类型、优先级、区域、来源等特性。特别是利用功能块相关报警定义的报警属性可以应用于该功能块类型的所有实例。如图5所示，定义了MOTOR_NR功能块的3条报警消息的消息文本，通配符$$BlockComment$$代表功能块实例中Comment字段中组态的内容，因而可以根据不同的块实例自动生成对应的报警消息，而不用逐条组态，该功能对于组态具有大量相同回路流程的报警非常方便。
在一个项目中，同类型的功能块实例在画面中都会生成与之对应的Block Icon实例，但却只拥有一套Faceplate模板。在监控画面下，点击某个功能块实例对应的Block Icon时，系统会执行相应的脚本从对应的Block Icon实例中获取该功能块实例的相关属性，并基于通用的Faceplate模板创建相应的Faceplate实例进行监控。由于同一个功能块类型只对应一套Faceplate，在具有大量相同回路的流程中就省去了大量弹出子画面的重复、单调的制作。如图7所示MOTOR_NR块主要有3个可以切换的面板：
操作面板－用于电机各状态显示、设备诊断和常规操作（带有操作记录功能）；
设定面板－用于设置某些重要参数（通常带有权限）；
报警面板－用于显示和处理于本电机回路有关的报警。
图7：MOTOR_NR块的Faceplate
3．3．其它功能
除上述功能外还开发了如下功能：功能块的在线帮助功能：与系统提供的功能块类似，用户自定义功能库同样可以通过选择对应功能块并点击F1键的方式自动聚焦到该功能块的帮助主题上，使用起来方便灵活。所需要做的是为功能块创建帮助文件（*.hlp）和目录文件（*.cnt）并制作注册表文件。
功能块的发布：创建了用户自定义功能库后，需要将库发布方可被其它工程师使用。发布后的功能库可以打包成一个可执行文件安装在其它机器中，同系统提供的功能库一样被其它工程师使用。所发布功能库的安装文件包含AS功能块、Block Icon、Faceplate和在线帮助系统。
功能库的更新：由于建立了基于多项目的主数据库，所以主数据库中的功能库修改后可以通过清晰、明确的更新向导更新每个子项目中的功能块实例，这样便于统一维护程序库，集中更新，保证了多项目数据的一致性。而Block Icon和Faceplate的更新则可通过将修改后的文件拷贝到相应目录下并编译OS来实现。
4. 项目运行
承钢5号2500m3高炉项目于2006年12月5日出铁投产成功。投产后，系统运行稳定可靠，特别是热备控制器性能较好，象矿槽系统、炉顶系统等程序量较大的部分在热备条件下，CPU的扫描周期仍在40毫秒左右。由于合理的规划了工程结构，特别是开发了基于多项目的符合生产工艺的用户自定义功能库，该工程从编程、调试到投产只用了两个来月的时间。对同等规模的高炉来说，可节省十几个人月的人工时。这也正是PCS7系统标准化工作的成效在承钢高炉工程中得到了初步的体现和验证。
5. 应用体会
工程中借助PCS7平台，有利于我们编制出更为标准化、集成化的用户自定义功能库。该软件从形式上将编程软件、监控软件、网络组态软件集中在同一平台，从功能上将控制器功能块的各种信息通过编译OS(compile OS)的方式上传到OS的WinCC项目中 ，并自动生成变量标签(Tags)、调用动态图标(block icons)及其对应的弹出面板(faceplate)、生成报警消息(Message)、趋势(Trend)等，甚至连静态、动态的文本信息也可以直接由AS块编译后在OS中生成，这样OS部分的工作非常简便，大部分的工作都集中AS上，便于统一维护程序库，集中更新，保证多项目数据的一致性，省去了原先AS、OS两部分握手的大量工作。目前各大PLC系统生产商都相继推出了类似功能，例如Schneider公司的UAG软件，Rockwell公司的Logixview软件等，但与PCS7平台提供的有关软件功能相比，上述软件基本是在PLC编程软件和HMI组态软件之外添加了第三套软件，用于完成PLC与HMI的握手。这样就增加了在不同软件界面间的导入、导出或是派生的过程，可操作性较为复杂，程序层次与画面结构的联系得不到较好的体现。
用户自定义功能库中的AS功能块、OS中的block icon和faceplate是相互联系紧密的整体，所以在编写程序的前期，对功能库中的各部分做一个全面的规划和较为细致的设计是非常必要的。比如在设计AS侧的Block Type时，我们较为充分的考虑了操作员需要监控的输入、输出及输入输出接口，以及所需的操作方式等，并结合系统属性（OCM相关）来对各个端口进行定义，以便这些端口可以在OS上正常、灵活的显示与操作。对于相关参数的选择我们考虑了如下方面：
为了获得设备清晰的状态信息，操作员需要监控什么类型的数据；
用何种方式显示这些变量；
哪些变量可以被操作员控制；
操作时需要哪级操作权限；
有没有与过程变量相关的权限连锁；
各个变量将在什么视图窗口中显示；
使用PCS7中的用户自定义功能库编程设备类型规整且同类设备众多的项目确实非常方便，但对于一些规模较小、设备类型较杂、接口较多的项目也存在一些不灵活方便的地方。比如PCS7中不建议直接在流程画面中使用WinCC提供的控件来对过程变量进行操作，象按钮、I/O域等。使用此方法系统将不会进行授权确认，而且不会为这些操作产生操作员记录（Operator List）。而在实际的工程项目中会经常出现增加一些位操作的情况，对于这些操作目前我们正在摸索如何能够产生操作记录的方法，同时也希望PCS7软件能够不断完善，提供给我们更为灵活、简便的工具来解决这些问题。
