西门子6ES7214-2AD23-0XB8型号大全

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摘要：介绍了采用PLC可编程控制器，EM231输入模块等硬件组成的系统控制某型航空电源车0～70 V电路。通过使用PID等运算指令，该系统能控制某型航空电源车工作，使某型航空电源车按要求输出电流、电压。通过试验达到设计要求。 　　0 引言 　　某型航空电源车是保障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0～70 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(见图2)，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，其中中央处理单元采用CPU224，模拟量输入模块采用EM231，硬件电路简化示意见图2。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，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，由中央处理单元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，以保证输出的0～70 V电压严格满足飞机启动特性的要求。 　　2．2 软件设计 　　在软件设计中，我们采用了增量式PID控制算法，其具体算法如下：   　　△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。

　　①模糊关系  　　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)。电压变化各元素隶属度见表2。  　　对应jingque量的模糊表：  　　根据模糊关系和模糊jingque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jingque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，终实现输出控制稳定电压O～70 V的目的。 　　2．4 实验结果 　　试验波形见图4，通过试验可以看出用PLC对发电机进行自动控制，满足某型飞机起动时的特性。 　　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。

为了改善发电机励磁控制系统的动态调节品质，运用模糊规则设计了一种发电机励磁系统的模糊控制器，并给出了基于西门子可编程逻辑控制器（PLC）的模糊控制器的实现方法。仿真和试验结果表明，控制器在改善发电机励磁系统的动态行为上具有突出的优势，对工程应用有实用价值。

0 引 言
    目前，工业控制中使用为广泛的仍是典型的PID控制，主要是因为这种控制策略结构简单，且具有一定的鲁棒性。但在实际的情况中，常规PID调节器固化的一组参数难以满足其调节品质的要求，因此，研究和改善现有的控制方式显得尤为重要，并具有实用价值。模糊控制作为一种智能控制方式，在工业控制中逐步得到了应用。模糊控制主要用于克服由于过程本身的不确定性、不jingque性和噪声带来的控制问题，因而在处理发电机组励磁模型参数的不确定性、复杂性和非线性方面具有突出的优势。因此，模糊控制技术很适合应用于发电机励磁控制系统中。
    模糊控制技术己经成为当前研究者们较为关注的热点。但在发电机励磁系统，将模糊控制技术应用于控制器的设计却很少，相关的资料论文也很有限，在模糊控制大力发展和应用日益广泛的做一些这方面的探讨是有益的。

1 发电机励磁模糊控制系统组成
    1.1 模糊控制系统的一般结构
    模糊控制属于计算机智能控制的一种形式，模糊控制系统的结构如图1所示。

图1 模糊控制系统的一般结构

    它的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的规则可由程序实现，规则是来自于人的经验形式化、模拟化。同时，应用相应的模糊判据，将其转化为jingque量，实现对被控制对象的控制作用。
    常用的模糊控制器有一维、二维和三维模糊控制器，其中典型的是二维模糊控制器。二维模糊控制器是用系统输出的偏差e和输出的偏差变化率Δe作为控制系统的输入量。在实际模糊控制系统中，需要先构造模糊控制表，模糊控制表是根据系统的输入输出个数、隶属函数及控制规则等决定。

    1.2 发电机励磁系统数学模型的建立
    1.2.1 同步发电机的传递函数
    同步发电机的传递函数相当复杂，这里只研究发电机空载起励的过程，因此，可对发电机的数学描述进行简化。在转速为额定转速时，同步发电机的传递函数可以用一阶滞后环节来表示。电压大值在额定电压的附近，因此，该过程中可以忽略饱和现象，故同步发电机的传递函数为：
    
    TG表示其时间常数，主要为励磁绕组EW的时间常数，其数值较小，取5s，KG为发电机的电压放大系数，当忽略发电机的饱和影响时，KG可用发电机的定子电压和发电机空载额定转子电压之比表示。

    1.2.2 电压测量单元的传递函数
    电压测量单元由测量变压器、整流滤波电路等组成，作用是把发电机机端电压变成与之成正比的直流电压，在正常情况下，电压互感器和测量变压器均不会饱和，可近似用一个一阶滞后环节来描述。
    
    式中，其时间常数TR约为几十毫秒，KR=UCHE/UGE，UCHE为对应UGE时测量单元的输出电压。

    1.2.3 功率放大单元的传递函数
    调节器中的功率放大单元是晶闸管调节器，由于晶闸管整流元件工作是断续的，所以它的输出与控制信号间存在着时滞。
    
    式中：UL——晶闸管整流电路的输出电压；
    ULK——晶闸管整流电路输出开路时的输出电压；
    UHK——换相电抗形成的输出电压降；
    UT——晶闸管整流元件的电压降（每只晶闸管的管压降约为1V，在分析励磁系统时一般情况下可忽略不计）。
    发电机励磁控制系统一般都有非线性环节，这就要进行线性处理。线性处理时，首先要确定在哪一点线性化，也就是首先要确定系统各环节的定态工作点，然后假定在整个运行过程中各环节的输入量和输出量在定态工作点附近变化的值一直保持很小。这样就可以把本来是非线性的环节近似地当成线性环节对待。分析发电机励磁自动控制系统，一般假定发电机在空载额定状态（即发电机空载额定转速额定定子电压）运行时各环节对应的输入、输出为定态工作点，而且励磁系统的输入信号只有很小变化。同时考虑到发电机空载运行时励磁电流较小，晶闸管整流电路的换相电抗压降不大，也可忽略。
    因此功率放大单元的传递函数可以简化为：
    
    因此，励磁系统总的传递函数框图如下图2所示。

图2 发电机励磁系统传递函数

2 基于西门子PLC的模糊系统设计
    目前，各PLC生产厂家推出的中、小型PLC模块虽然提供了PID指令，可以实现PID控制，但是都没有提供模糊控制模块和软件包。为了获得模糊PID控制特性，本文提出了一种在不增加任何PLC硬件开销的情况下，通过软件编程在PLC上实现模糊控制的新方法。
    2.1 输入输出的模糊集与论域确定
    各变量隶属函数的确定根据PID自整定原则，用于PID参数控制的模糊控制器采用2输入1输出的模糊控制器，该模糊器是以e(t)和Δe(t)为输人语言变量，以控制电压U为输出语言变量。
    e(t)和Δe(t)的模糊子集取值为：
    e(t) ={PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB}；
    Δe(t) ={PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}。
    其中，{PB =“正大”，PM =“正中”，PS =“正小”，PO =“正零”，O =“零”，NO =“负零”，NS =“负小”，NM =“负中”，NB=“负大”}
    控制电压U的模糊子集取值为：
    U ={ -7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1 ，+2，+3，+4，+5，+6，+7}；
    模糊子集为：“负很大”、“负较大”、“负大”、“负中”、“负小”、“负较小”、“负很小”、“零”、“正很小”、“正较小”、“正小”、“正中”、“正大”、“正较大”、“正很大”。
    采用阶跃信号作为输入信号，根据模糊控制器的原理，选择其输入（e(t)、Δe(t)）输出(U)。取e(t)、Δe(t)、U的论域和模糊子集可得到隶属度曲线，图3、图4为变量e(t)与Δe(t)所对应的曲线。

图3 e(t)隶属函数曲线


图4 Δe(t)隶属函数曲线

    2.2 模糊规则设计
    模糊规则来自于人的经验，根据实际经验规则可以得出U的调节规则表如表1所示：

表1 模糊控制规则表

2.3 基于PLC的模糊控制器设计
    微机上实现模糊控制一般采用3种方式：强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式。要想在PLC上实现模糊控制，考虑到PLC运算能力较差，宜采用直接查表方式。
    在设计中，选用西门子公司的S7-200型PLC，利用其A/D模块将输入量采集到PLC中，利用其D/A模块实现执行元件的输出，模糊控制流程图如图5所示。

图5 模糊控制系统流程图

    上面给出的是模糊规则表中查询求U值的一段程序。其余程序与上述程序类似。

3 系统仿真
    某电厂发电机励磁系统的主要参数为：KG=20.15，UGE=400V，UCHE=6V，KR=UCHE=/UGE=5，KSCR=2.82，T=0.0045。
    利用Matlab6.0中的模糊工具箱进行模糊系统的设计，在模糊编译窗口中进行输入输出变量以及隶属度函数的设定，在模糊规则编辑器中设定规则，同时采取重心法进行解模糊化，后利用Simubbbb中的模糊工具集中的FuzyController元件将已经建立的2输入 — 1输出的Mamdani模糊控制系统导入Simubbbb被控系统，与被控系统进行无缝连接，终实现对系统进行仿真，获取仿真结果。
    系统仿真的结构图如图6所示：

图6 系统仿真结构图

    仿真结果如图7所示。

图7 励磁控制系统仿真结果图

    可见，引入模糊控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性，并具有良好的跟踪特性。仿真结果表明，基于模糊控制算法的励磁系统的调节过程，都能很好地满足励磁系统的动态特性，所得到的系统响应曲线过程极小，调节速度快且调节过程平稳（没有频繁的波动），具有良好的调节品质。

4 结 语
    随着大容量发电机组的使用和大规模电力系统的形成，对励磁系统的可靠性和技术性能的要求越来越高，需要研究新型的励磁调节器来满足要求。同时，计算机技术和自动控制理论的发展也为研究新型励磁调节器和励磁系统提供了良好的基础。把模糊控制技术应用在发电机励磁系统将有很好的和潜在的应用前景，并有明显的理论意义和实际意义。
    本文介绍了发电厂励磁控制系统的模型和模糊控制在励磁控制中的应用，并讨论了其在PLC上的硬件实现。研究结果表明，该控制器具有良好的调节品质，并且硬件电路易于实现。它的应用，将会给电厂发电机励磁控制系统带来更大的技术进步和更高的经济效益。