基于PLC的蓄電池充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于PLC的蓄電池充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 控制要求（1） 能夠以四種不同方式給蓄電池充電：a）全充電：充電方式及參數(shù)見表1；b) 平常充電：與全充電前五個(gè)階段相同，只是第六個(gè)階段只需檢測(cè)到過(guò)度電壓在2.382.44 V 之間即可停止充電，不再需要穩(wěn)定2h；c) 補(bǔ)充充電：以200A/h 給蓄電池充電，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)度電壓在2.382.44 V 之間后穩(wěn)定2h 即可停止充電；d) 再充電：以200A/h 給蓄電池充電，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)度電壓在2.382.44 V 之間后穩(wěn)定4h 即可停止充電。（2）根據(jù)具體使用情況在觸摸屏上設(shè)定不同的放電時(shí)率和放電電流，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓不大于終止電壓時(shí)停止放電。具體設(shè)

2、定放電時(shí)率和放電電流見表2.（3） 有手動(dòng)、自動(dòng)操作功能，可相互切換。2 硬件設(shè)計(jì)和工作原理（1）系統(tǒng)組成：主要由S7-200 系列PLC、模擬量擴(kuò)展模塊（4 輸入，1 輸出）、觸摸屏、調(diào)壓吸收板、平衡電抗器、整流管、霍爾傳感器、分流器、三相交流模塊、穩(wěn)流板、大功率變壓器、放電單元等組成。（2）主要器件功能簡(jiǎn)介：三相交流模塊由六只晶閘管構(gòu)成，采用數(shù)字移相控制電路使觸發(fā)準(zhǔn)確可靠，再通過(guò)外圍控制電路改變其導(dǎo)通角，即可獲得所需的電壓。它的工作原理是利用放在磁場(chǎng)中的霍爾元件產(chǎn)生感應(yīng)電壓的霍爾效應(yīng)，將電流、電壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電壓反饋與電流反饋采用兩套獨(dú)立電路，互不影響，并且可通過(guò)外加電平實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3、霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換系數(shù)高，有電氣隔離作用，響應(yīng)速度快，使設(shè)定電壓（010V）與輸出電壓與電流成較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系（非線性度不大于5%），克服了晶閘管移相角度與輸出電壓非線性的缺點(diǎn)。而且還縮短了控制電路與移相電路、主電路的信號(hào)傳輸距離，有效降低了外部干擾，從而提高了三相交流模塊的控制精度（晶閘管控制曲線上線性度較好的范圍內(nèi)，恒壓在100V350V，恒流約在35%75%最大設(shè)定電流，穩(wěn)壓精度在0.5%，穩(wěn)流精度在1%之內(nèi)，在線性度較差的范圍內(nèi)，穩(wěn)壓精度不大于1%，穩(wěn)流精度不大于2%）對(duì)提高整機(jī)性能有很大好處。在電網(wǎng)變化±20%的情況下，輸出變化（調(diào)整范圍內(nèi)）不大于±1%。三

4、相交流模塊具有多種保護(hù)功能過(guò)流、過(guò)熱、缺相保護(hù)功能使模塊應(yīng)用更為安全、方便。 三相交流模塊以其控制電路精度高，平衡性好，工作電壓范圍寬，抗電流沖擊性能好，安裝使用簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小，免維護(hù)等特點(diǎn)，非常適合用作蓄電池充電的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。西門子公司生產(chǎn)的S7-200 系列PLC 主要由主機(jī)（基本單元）、I/O 擴(kuò)展單元、功能單元（模塊）和外部設(shè)備等組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊小巧、可靠性高、運(yùn)行速度高、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中選用的型號(hào)是CPU224，是以微處理器為核心的PLC 主板，具有完全意義的控制、運(yùn)算、存儲(chǔ)功能。設(shè)有RS-485 通信口，具有PPI、MPI 通信協(xié)議和自由口通信能力，可與上位機(jī)通訊。

5、集成了14 個(gè)輸入點(diǎn)，10 個(gè)輸出點(diǎn)。可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中連接的是具有4個(gè)輸入點(diǎn)，1 個(gè)輸出點(diǎn)的EM235 模塊，其10M 的輸入阻抗，12 位的分辨率和多種輸入、輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器直接連接，輸出010V的信號(hào)可直接控制三相交流模塊和穩(wěn)流板。（3） 硬件系統(tǒng)框圖如圖1 所示。所有參數(shù)設(shè)定以及充放電操作均在觸摸屏上完成，所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)均在觸摸屏上顯示，并通過(guò)RS485 數(shù)據(jù)線與主處理器（PLC）連接。由于對(duì)充電的電流、電壓精度要求高，在理論設(shè)計(jì)上引入了數(shù)字式PID 控制模式，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

6、 由圖2 可知PID 控制是一種線性控制，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合控制被控對(duì)象，其控制規(guī)律為：式（2）中Kp 是比例系數(shù)；T1 是積分時(shí)間常數(shù)；T D 是微分時(shí)間常數(shù)。系統(tǒng)使用的PLC 控制實(shí)際是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式中的微分和積分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。以一系列的采樣時(shí)刻kT 代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，及增量代替微分可做如下近似變換：式（4）中，k 是采樣序號(hào)，T 為采樣周期；u (k)是第k 次采樣時(shí)刻的PLC 輸出值；e (k)是第k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e (k-1)是

7、第k-1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。至此得到了比較理想的控制函數(shù)和輸出值。PLC的輸出值再控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)給蓄電池充電。首先通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊和霍爾傳感器采集蓄電池當(dāng)前電壓、電流，根據(jù)所檢測(cè)電壓值的大小來(lái)控制三相交流模塊的輸出電壓，再經(jīng)過(guò)大功率的變壓器（22kW）和整流管將電壓調(diào)至所需的直流2.38V2.44V。而連接PLC和三相交流模塊的穩(wěn)流板時(shí)刻比較輸入、輸出值，根據(jù)輸出值的變化及時(shí)調(diào)整輸入值，整個(gè)充電過(guò)程采用了帶反饋的穩(wěn)壓、穩(wěn)流的充電方式，形成閉環(huán)控制回路，既保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度又保證了充電電壓準(zhǔn)確可靠。放電過(guò)程和充電過(guò)程在控制電路的設(shè)計(jì)上是一樣的，只是在放電回路中設(shè)計(jì)了幾種不同的大功率的負(fù)載，通過(guò)控制幾種不同的大功率負(fù)載和蓄電池的連接實(shí)現(xiàn)不同時(shí)率的放電功能。3 軟件設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中，PID 控制算法流程圖見圖3，充電控制流程圖見圖4。