西門子PLC*處理單元CPU314C-2DP

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西門子PLC*處理單元CPU314C-2DP

對于工控新人來說，使用STEP7編程時，首先需了解OB/FC/FB/DB等塊的功能和作用，待掌握這些塊后再進行編程就“輕而易舉”了。
    在上經(jīng)常遇到用戶咨詢FB的接口變量類型IN_OUT、STAT、TEMP在使用上有何區(qū)別，以下通過一個簡單的例子進行說明。運用FB塊編程計算公式：(A+B) * C = D，在程序中需要通過一個中間變量（例如其變量名定義為“TEMP_value”）傳遞“A”和“B”相加的結(jié)果，然后再乘以“C”得到zui終結(jié)果“D”；將中間變量“TEMP_value”分別定義為IN_OUT、STAT或TEMP類型后做如下測試。
    首先創(chuàng)建FB1，在IN接口類型中新建A、B、C 三個變量，數(shù)據(jù)類型INT；在OUT接口類型中新建D 變量，數(shù)據(jù)類型INT；在OB1中調(diào)用FB1，并生成對應(yīng)的背景DB塊DB1。
    情形一，將中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT類型時，接口定義及程序如圖1：

                                           圖1  中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT類型

    下載到CPU中執(zhí)行程序監(jiān)控，在調(diào)用FB1的接口參數(shù)處和背景DB塊中都可以監(jiān)控到變量“A”和“B”相加的中間結(jié)果“TEMP_value”，如圖2所示。

                                     圖2  中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT時的在線數(shù)據(jù)

    情形二，將中間變量“TEMP_value”定義為STAT類型時，接口定義及程序如圖3：

                                           圖3  中間變量“TEMP_value”定義為STAT類型

    下載到CPU中執(zhí)行程序監(jiān)控，僅能在其背景DB塊中監(jiān)控到變量“A”和“B”相加的中間結(jié)果“TEMP_value”的值，而在調(diào)用FB1的接口參數(shù)處無該中間變量，如圖4所示。

                                   圖4  中間變量“TEMP_value”定義為STAT時的在線數(shù)據(jù)

    情形三，將中間變量“TEMP_value”定義為TEMP類型時，接口定義及程序如圖5：

                                           圖5  中間變量“TEMP_value”定義為TEMP類型

    下載到CPU中執(zhí)行程序監(jiān)控，既不能在其背景DB塊中監(jiān)控到變量“A”和“B”相加的中間結(jié)果“TEMP_value”的值，也不能在調(diào)用FB1的接口參數(shù)處看到該中間變量，如圖6所示。
 
                                      圖6  中間變量“TEMP_value”定義為TEMP時的在線數(shù)據(jù)

    對于同一個中間變量，在FB中定義為不同的參數(shù)類型時，其接口參數(shù)和對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊的顯示都不盡相同。所以在不同的需求下可自行定義中間變量的類型，以滿足不同的需求。西門子創(chuàng)新工業(yè)之道是“知其道，用其妙”，編程也不例外，知“FB接口類型”之道，用其妙。

比較簡單的實現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法

PID控制的難點在于整定控制器的參數(shù)。為了學習整定PID控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實驗，開環(huán)運行PID程序沒有任何意義。用硬件組成一個閉環(huán)需要PLC的CPU模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外還需要被控對象、檢測元件、變送器和執(zhí)行機構(gòu)。例如可以用電熱水壺作為被控對象，用熱電阻檢測溫度，用溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標準電壓，用移相控制的交流固態(tài)調(diào)壓器作執(zhí)行機構(gòu)。
 有沒有比較簡單的實現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法呢？
 在控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述被控對象、檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)和PID控制器。
 被控對象一般是串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的組合。在實驗室可以用以運算放大器為核心的模擬電路來模擬廣義的被控對象（包括檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)）的傳遞函數(shù)。我曾將這種運放電路用于S7-200和S7-1200的PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)實驗。
 用運算放大器模擬被控對象一般需要做印刷電路板，還是比較麻煩。有沒有更簡單的方法呢？
 除了用運算放大器來模擬被控對象的傳遞函數(shù)，也可以用PLC的程序來模擬。為此我編寫了用來模擬被控對象的S7-200的子程序，它也可以用于S7-200 SMART。使用模擬的被控對象的PID閉環(huán)示意圖如下圖所示，虛線右邊是被控對象，DISV是系統(tǒng)的擾動輸入值。虛線左邊是PLC的PID控制程序。
 


 被控對象的數(shù)學模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為
 


 分母中的“s”為自動控制理論中拉普拉斯變換的拉普拉斯算子。將某一時間常數(shù)設(shè)為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個數(shù)。圖中被控對象的輸入值INV是PID控制器的輸出值。被控對象的輸出值OUTV作為PID控制器的過程變量（反饋值）PV。
 下圖是模擬被控對象的子程序，實際上只用了兩個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)分別為5000ms和2000ms。用與PID的采樣周期相同的定時中斷時間間隔來調(diào)用這個子程序。
 


 下圖是用來監(jiān)視PID回路運行情況的STEP 7-Micro/WIN的PID調(diào)節(jié)控制面板，可以用它進行PID參數(shù)自整定或手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實驗。標有PV（即被控量）的是過程變量的階躍響應(yīng)曲線。
 


 將上圖中的積分時間由0.03min（分鐘）增大到0.12min，下圖的超調(diào)量有明顯的減小。通過修改PID的參數(shù)，觀察被控量階躍響應(yīng)曲線給出的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等特征量的變化情況，可以形象直觀、快速地學習和掌握PID參數(shù)的整定方法。
 

A+DPTR
       MOV P2,A          ；輸出到P2口
       INC R0
MOV R3,#02        ；掃描1毫秒
DELAY2:  MOV R5,#248    ；
       DJNZ R5,$
       DJNZ R3,DELAY2
       MOV A,#00H     ；清除屏幕
       MOV P0,A
       ANL P2,#00H    
       DJNZ R6,L3       ；一個字16個碼是否完成？
       DJNZ R1,L16      ；每個字的停留時間是否到了？
       MOV 20H,R0      ；取碼指針存入20H
       CJNE R0,#0FFH,L100 ；8個字256個碼是否完成？
       JMP LOOP ；反復循環(huán)
     
 TABLE :
；漢字“倚”的代碼
db 01H,00H,02H,00H,04H,00H,1FH,0FFH
db 0E2H,00H,22H,00H,22H,0FCH,26H,88H
db 2AH,88H,0F2H,88H,2AH,0FAH,26H,01H
db 63H,0FEH,26H,00H,02H,00H,00H,00H
；以下分別輸入天，一，出， 寶，刀，屠，龍，的代碼，略。
end
  電路中行方向由p0口和p2口完成掃描，由于p0口沒有上拉電阻，因此接一個4.7k*8的排阻上拉。 如沒有排阻，也可用8個普通的4.7k 1/8w電阻。為提供負載能力，接16個2n5551的NPN三極管驅(qū)動。
列方向則由4—16譯碼器74LS154完成掃描，它由89C51的P1.0---P1.3控制。同樣，驅(qū)動部分則是16個2N5401的三極管完成的。
電路的供電為一片LM7805三端穩(wěn)壓器，耗電電流為100Ma左右。
采用一塊12*20cm的*電路板，應(yīng)當選用質(zhì)量好些的發(fā)光管，（否則有壞點現(xiàn)象， 更換起來較麻煩）首先將256個發(fā)光管插入電路板，注意插入方向，同時使高度*，行方向直接焊接起來， 列方向則搭橋架空焊接，完成后用萬用表測試一下如有不亮的更換掉。
    然后找一個電腦硬盤的數(shù)據(jù)線，截取所需的長度，分別將行，列線引出至電路的相關(guān)管腳即可。原理圖為了簡潔，故只畫出了示意圖，行列方向只畫出了2個三極管，屏幕只畫出4個發(fā)光管， 實際上發(fā)光管為256只，三極管行列方向各16只，一共32只。焊接過程認真仔細一天時間即可完成全部制作。將程序編譯后燒寫入89c51, 插入40pin Ic座，即可看到屏幕輪流顯示：“倚天一出寶刀屠龍”。
    當然，你可將程序的漢字代碼部分更換為您所需要的代碼即可顯示你所需要的漢字
元件清單：
名稱
數(shù)量
規(guī)格
4．7k 1/8w
32
電阻
4.7k*8排阻
1
 
2n5551
16
小功率NPN三極管
2n5401
16
小功率PNP三極管
led
256
3mm白發(fā)紅高亮度
22P
2
瓷片電容
10uf/50v
1
電解電容
100uf/25v
2
電解電容
AT89C51
1
或AT89S51
40pin Ic座
1
插89c51用
12M
1
晶體
74LS154
1
或74HC154
LM7805
1
穩(wěn)壓IC
電源插座
1
 
穩(wěn)壓電源
1

LED顯示屏用電源的設(shè)計
林建偉，李震
西安普聲電信有限責任公司，陜西西安710043
1引言
   LED顯示屏是一種迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于車站、賓館、銀行、醫(yī)院等公共場合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡單起見，通常采用由一小功率電源帶3到4個顯示驅(qū)動板的供電方案。這樣,一個較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個2m×1.5m的屏體，就需要提供24個5V/20A的模塊電源。該設(shè)計存在以下的缺點。
   1）接線復雜每一個電源均需單獨地配置交流輸入線、直流輸出線。
   2）電源冗余度差在大多數(shù)情況下，屏體顯示內(nèi)容為文字、動畫、圖片，每個顯示驅(qū)動板消耗的電流不一樣，可能某些電源模塊過載，而另一些模塊空載。此外，若某一電源失效，會造成屏體的一部分黑屏。
   3）電源過載能力差，利用率低屏體在工作時消耗的電流隨畫面的內(nèi)容、顏色、亮度而變化，大部分時間電流較小，而大面積高亮度的畫面雖消耗電流大，但持續(xù)時間短。考慮到LED是恒流驅(qū)動的，只要驅(qū)動板可正常工作，供電電壓可以降低一些。電源有下拖形狀的限流特性，而不是通常的較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   考慮到以上各點，提出新的供電方案如下：
   1）集中供電，采用n＋1冗余方案。
   2）電源模塊設(shè)計適當?shù)妮敵鲭娏鳎K可均流。保證屏體裝配工藝易實現(xiàn)n＋1冗余。
   3）電源模塊有下拖形狀的限流特性以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   4）電源模塊有扁平的外形，自然散熱，易于在屏體上安裝，并利用屏體散熱。
   5）電源模塊帶APFC，減小對電網(wǎng)的干擾，適應(yīng)電網(wǎng)的波動。
2電路設(shè)計
   采用集中供電方案可避免分散供電的缺點，但要求電源的可靠性更高，否則電源一旦失效會造成整屏的黑屏，而不是部分黑屏。提高電源可靠性的zui積極的辦法為提高變換效率，減少發(fā)熱量，同時選用可靠性高的線路與器件。
2．1AC/DC電路設(shè)計
   傳統(tǒng)的AC/DC全波整流電路采用的是整流＋電容濾波電路。這種電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，輸入交流電壓的波形是正弦的，但輸入電流的波形發(fā)生了嚴重的畸變，呈脈沖狀。由此產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)有危害作用，使電源輸入功率因素下降。在本設(shè)計中整流電路部分采用有源功率因數(shù)校正電路(APFC),避免了上述缺點。其電路如圖1所示。

   與典型PFC主電路不同的是此電路選用了無損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗,提高了其穩(wěn)定性,增強了其使用壽命。它利用一組無源元件,使開關(guān)管實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，提高了電源的工作效率,且相對于其它諧振軟開關(guān)電路，降低了生產(chǎn)成本。
   下面通過分析PFC主開關(guān)Q的工作過程來說明此無損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)的工作原理。
   1）Q導通時，因為電感 L2中電流不能突變，且C2、C1電壓不能突變，Q中的的電流從零開始增加,緩慢上升。通過 D4的電流iD4漸減。Q實現(xiàn)零電流開通，導通的損耗較小。
   2）當電流iD4減少為零時，D4進入反向恢復狀態(tài)，通過電感 L2的電流iL2=iL1＋irD4。D4反向電流irD4的變化率受到電感 L2的控制，反向恢復損耗降低。
   3）主電感L2中電流緩慢增加，Q上的電壓 uQ下降。電容C2通過D2、C1、L2、Q放電 ,C2上的電壓uC2下降。
   4）當uC2下降為零時,C2中的能量*轉(zhuǎn)向 C1、L2。L2中的電流飽和不變，uQ下降變?yōu)榱悖琎完成零電流開通過程。
   5）Q保持開通狀態(tài),與普通PFC電路的開關(guān)管狀態(tài)相同。
   6）Q關(guān)斷時，L2中的電流 iL2通過D1流向C2，C2從零開始充電，Q實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，關(guān)斷損耗較小。二極管 D2、D3使uC2zui終鉗位在輸出電壓VL。
   7）L2在導通時存儲的能量通過 D1、D2流向C1，L2逐漸復位。當 L2復位后，C1中的能量通過D3輸出。
   8）當C1兩端電壓變?yōu)榱銜r， D4正向?qū)ā完成零電壓關(guān)斷過程。
   9）Q保持關(guān)斷狀態(tài)直到開始進入新的開關(guān)循環(huán)過程。
   Q的開關(guān)波形如圖2所示;Q的實測導通時間和關(guān)斷時間如圖3所示。（電源負載22A）
   從以上分析可知此無損吸收網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個特點。
   1）Q的zui大工作電壓等于輸出電壓 VL。
   2）PFC電路的輸出二極管D4的耐壓是 VL與電感L2的反向電壓之和。
   3）Q中的電流上升率，即Q的開通損耗決定于電感 L2兩端電壓和L2的電感量。
   4）Q兩端的電壓上升率，即Q的關(guān)斷損耗決定于流過電容 C2的電流和C2的容量。
   5）由于開關(guān)動作引起的存儲在 L2和C2中的能量zui終都輸出給了負載，保證了轉(zhuǎn)換器的工作效率。
2．2DC/DC主電路設(shè)計
   DC/DC主電路采用單端雙正激電路。單端雙正激電路相對于其它拓撲電路結(jié)構(gòu)，開關(guān)管承受電壓低，在控制電路設(shè)計中不必擔心共態(tài)導通問題，也不會因電路不對稱發(fā)生高頻變壓器單向偏磁，即不存在變壓器飽和問題，是一種可靠性較高的電路。考慮到整機的高度不超過60mm，以及變壓器工藝、安裝、散熱的要求，DC/DC變換采用雙變壓器、雙輸出電感結(jié)構(gòu)。變壓器原邊并聯(lián)，副邊各自用一個輸出電感，如圖4所示。
   該電路的無損吸收網(wǎng)絡(luò)不同于AC/DC部分電路所采用的無損吸收網(wǎng)絡(luò)。它僅使開關(guān)管完成了零電壓關(guān)斷過程。以下以開關(guān) Q2為例（Q1與Q2變化狀態(tài)相同），簡述該網(wǎng)絡(luò)的工作原理。

   1）導通過程
   Q1、Q2開通時，除一路電流通過 Q1、T1副邊、Q2外，另一路電流流過 Q1、C5
L7、D10、C7、 Q2形成LC振蕩回路，C5、C7被充電。當A與B點之間的電壓uAB等于主電路電壓VDC時，由于 D10的單向?qū)щ娦裕袷幗Y(jié)束。電感L7起限制 C7、C5中的電流變化的作用。Q1、 Q2中流過的電流為從副邊折算到原邊的負載電流與C5、C7充電電流之和。
   2）關(guān)斷過程
   Q1、Q2關(guān)斷時，由于B點對地電壓為零，C7從零開始充電， Q2對地電壓uQ2緩慢上升，Q2零電壓關(guān)斷。加在 Q2上的電壓因二極管D15的鉗位作用，zui終為VDC。因此，B點電壓升為VDC。 Q2實現(xiàn)零電壓關(guān)斷過程。
   由于變壓器勵磁電感、漏感及引線寄生電感所引起的感應(yīng)電勢的能量通過 C7、D14返回電源，Q2上的電壓維持在VDC直到變壓器原邊磁通復位。此時， Q1、Q2上的電壓分別為VDC/2直到新的工作周期。
   Q2的開通期間與關(guān)斷期間的狀態(tài)與普通開關(guān)管同期間的狀態(tài)相同。
   圖5為實測Q2開關(guān)波形。圖6為實測 Q2零電壓關(guān)斷波形。
   從以上分析中,可以總結(jié)出以下特點。
   1）電路中每個開關(guān)管的zui大工作電壓等于電源電壓。
   2）Q1、Q2關(guān)斷的電壓上升率分別決定于電容 C5、C7的容量。
2．3控制電路設(shè)計
   為保證電源安全可靠地工作，電路設(shè)計中采用TOP224Y制作一反激式開關(guān)電源作為輔助源，如圖7所示。其兩路輸出分別為AC/DC部分和DC/DC部分的控制電路供電。