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步進(jìn)可調(diào)的穩(wěn)壓開關(guān)電源
{開關(guān)電源行業(yè)門戶網(wǎng)}：開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。開關(guān)電源高頻化、模塊化和智能化是其發(fā)展方向。其中，步進(jìn)可調(diào)、實(shí)時顯示是開關(guān)電源智能化研究方向之一?，F(xiàn)設(shè)計(jì)開關(guān)電源，技術(shù)指標(biāo)為：輸出電壓30V至36V可調(diào)，最大輸出電流2A，有過流保護(hù)功能，能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整、步進(jìn)值1V，并能實(shí)時顯示輸出電壓和電流的開關(guān)穩(wěn)壓電源。
 
1 總體設(shè)計(jì)方案
    采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，對普通的開關(guān)電源控制部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)電源的智能控制。設(shè)計(jì)中采用隔離變壓器將市電變壓后通過整流濾波送至DC-DC升壓變換器，經(jīng)過一系列的控制整合電路之后可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)總體框圖如圖1．1所示。

1．1 DC-DC主回路拓?fù)?br />     采用UC3842和MAX4080構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換電路。UC3842是一塊功能齊全、較為典型的單端電流型PWM控制集成電路，內(nèi)包含誤差放大器、電流檢測比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電源和欠壓鎖定等單元。電流控制型升壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，外接元器件少、控制靈活、成本低，輸出功率容易做到100W以上。當(dāng)然，DC-DC轉(zhuǎn)換電路也可以采用成品模塊，若用PI公司生產(chǎn)的DPA-Switch設(shè)計(jì)開關(guān)電源具有集成度高、外圍電路簡單、發(fā)熱量少、性能指標(biāo)優(yōu)良。
   
    由UC3842設(shè)計(jì)的DC-DC升壓電路直接用誤差信號控制電感峰值電流，間接地控制PWM脈沖寬度，達(dá)到控制輸出端電壓的目的。開關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感充電，把能量儲存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管把儲存的電能釋放到輸出電容器中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少由通過電感電流的峰值來控制。具體設(shè)計(jì)電路如圖1.2所示。

1．2 保護(hù)電路
    在大電流的情況下容易損壞芯片，所以需要對大電流的情況給予電路保護(hù)。設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)控制繼電器的通斷來控制電路中的電流，對輸出電路電流采樣，采樣值與額定值比較，反饋比較電路如圖1．3所示，當(dāng)電流大于2．5A時，則產(chǎn)生信號使單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序，使繼電器起動，實(shí)現(xiàn)DC-DC電路的斷電，從而達(dá)到保護(hù)電路的作用。單片機(jī)控制電路如圖1．4所示。該方案中單片機(jī)控制繼電器的吸合時間短，而且易于實(shí)現(xiàn)。


1．3 數(shù)字設(shè)定及顯示電路
    采用AT89S52單片機(jī)和集成芯片CD4051實(shí)現(xiàn)程控和步進(jìn)，用單片機(jī)控制鍵盤實(shí)現(xiàn)輸出電壓的初始設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)電壓的步進(jìn)1V，步減1V。使用液晶顯示輸出電壓和電流，可撥動轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇顯示電壓／電流模式。
1．4 程序設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)好相關(guān)電路的基礎(chǔ)上，通過編程由單片機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行智能控制。系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S52控制，電源系統(tǒng)具有"＋‰"和"－"步進(jìn)功能，步進(jìn)幅度為1V。同時AT89S52結(jié)合繼電器等電路實(shí)現(xiàn)了電路過流保護(hù)功能，并且能實(shí)時顯示開關(guān)電源的輸出電壓和電流。程序總流程圖和中斷流程圖如圖1(5，6)所示。

2 提高效率
    如何提高開關(guān)電源的效率顯得尤為重要。在提高開關(guān)電源的效率上采取了如下措施。
2．1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路中電感在很大程度上影響系統(tǒng)的效率。市場上很難買到符合要求的電感，在繞制時對電感磁芯和漆包線的要求非常高，應(yīng)將輸出電壓紋波降到最小。
2．2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路中開關(guān)管采用MOS管取代雙極性晶體管，串聯(lián)柵極電阻將衰減由MOS輸入電容、柵一源電路引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩。可有效提高轉(zhuǎn)換效率，若選用幾個MOS管IRF530并聯(lián)，可進(jìn)一步提高效率。
2．3續(xù)流二極管選擇肖特基二極管，其開啟時間短、管壓降小，可使電感存儲能量大，有利于提高電源轉(zhuǎn)換效率。
2．4二極管、電感和MOS管的柵極最好盡可能地靠近焊接，這樣可以減少損耗，有利于提高系統(tǒng)的效率。
 
3 測試數(shù)據(jù)和分析
3．1 電壓調(diào)整率SU
    電壓調(diào)整率SU指U2在指定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓U0的變化率。用自耦調(diào)壓器調(diào)節(jié)U2從15V到21V之間變化，在輸出電流為2A時候，測量出輸出電壓，從而得到電壓調(diào)整率SU。

 
3．2 負(fù)載調(diào)整率SI
    負(fù)載調(diào)整率SI指I0在指定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓U0的變化率。改變負(fù)載電阻，使輸出電流在0～2A以內(nèi)變化時，得到負(fù)載調(diào)整率數(shù)據(jù)如下。

3．3 DC-DC變換器效率
    效率η=P0／PIN，其中P0=U0I0，PIN=UINIIN。用毫伏表在DC-DC模塊端口直接讀出輸入和輸出電壓電流各值，可得變換器效率。

3．4 紋波電流
    在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，MOS管源極接上1kΩ的電阻，電源濾波處加無極性電容，濾除高頻紋波。電流紋波實(shí)測數(shù)據(jù)如下

 
    基于AT89S52的開關(guān)穩(wěn)壓電源具有良好智能控制和步進(jìn)功能，測試數(shù)據(jù)表明電源系統(tǒng)具有較高的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，并具有很高的效率，電源在最大輸出功率下能連續(xù)安全工作足夠長的時間。當(dāng)然可通過對MOS管及相關(guān)元器件選擇、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，或選擇DC-DC成品模塊可進(jìn)一步提高電源性能。
 

西門子PLC的發(fā)展史 SIMATIC商標(biāo)

S7-200是西德西門子公司的產(chǎn)品之一，其注冊商標(biāo)為SIMATIC。

1．西門子公司的產(chǎn)品最早是1975年投放市場的SIMATIC S3，它實(shí)際上是帶有簡單操作接口的二進(jìn)制控制器；

2．1979年，S3系統(tǒng)被SIMATIC S5所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處理器；

3．20世紀(jì)80年代初，S5系統(tǒng)進(jìn)一步升級——U系列PLC，較常用機(jī)型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U

4．1994年4月，S7系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級、安裝空間更小、更良好的WINDOWS用戶界面等優(yōu)勢，其機(jī)型為：S7-200、300、400

5．1996年，在過程控制領(lǐng)域，西門子公司又提出PCS7（過程控制系統(tǒng)7）的概念，將其優(yōu)勢的WINCC（與WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場總線）、COROS（監(jiān)控系統(tǒng)）、SINEC（西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）及控調(diào)技術(shù)溶為一體

6．現(xiàn)在，西門子公司又提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自動化系統(tǒng)，將PLC技術(shù)溶于全部自動化領(lǐng)域。

SM 1231 模擬量輸入信號模塊允許將控制器與過程中的模擬信號連接。

這為用戶提供了下列優(yōu)勢：

• 最佳適應(yīng)性：
  使用模擬信號模塊，用戶可以使其控制器最佳地滿足更加復(fù)雜的任務(wù)要求
• 直接連接傳感器：
  高達(dá) 14 位的分辨率和不同的輸入范圍允許在沒有附加放大器的情況下連接傳感器
• 靈活性：
  如果任務(wù)后續(xù)有所擴(kuò)展，可以升級控制器。更新用戶程序非常簡單。

使用 SM 1278 模塊，可通過一條 3 線制電纜與最多 4 個外部 IO-Link 設(shè)備或 4 個標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行器/傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 由于有大量參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，可以針對通信伙伴靈活調(diào)整控制。由于 IO-Link 與標(biāo)準(zhǔn)傳感器兼容，也可在 IO-Link 主站上運(yùn)行符合 IEC 61131 類型 1 的市售傳感器。

• 擴(kuò)展限制
  • 電纜長度:最大 20 m
  • 每個端口最多 32 個字節(jié)輸入和輸出數(shù)據(jù)
  • 每個模塊最多 32 個字節(jié)輸入和輸出數(shù)據(jù)

LED 指示燈

• DIAG:模塊上具有運(yùn)行狀態(tài)指示燈（綠色/紅色）
• C1..C4：端口 1、2、3 和 4 的端口狀態(tài)指示燈（綠色）
• Q1..Q4：端口 1、2、3 和 4 的通道狀態(tài)指示燈（綠色）
• F1..F4：端口 1、2、3 和 4 的端口故障指示燈（紅色）

根據(jù)所使用的 CPU 類型，一個 S7-1200 CPU 上可連接多達(dá) 8 個 SM 1278 模塊。

西門子S7-200 PLC的安裝方式、安裝環(huán)境和安裝注意事項(xiàng)

西門子S7-200 PLC安裝：

（1）安裝方式

S7-200的安裝方法有兩種：底板安裝和DIN導(dǎo)軌安裝。底板安裝是利用PLC機(jī)體外殼四個角上的安裝孔，用螺釘將其固定在底版上。DIN導(dǎo)軌安裝是利用模塊上的DIN夾子，把模塊固定在一個標(biāo)準(zhǔn)的DIN導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌安裝既可以水平安裝，也可以垂直安裝。

（2）安裝環(huán)境

PLC適用于工業(yè)現(xiàn)場，為了保證其工作的可靠性，延長PLC的使用壽命，安裝時要注意周圍環(huán)境條件：環(huán)境溫度在0～55℃范圍內(nèi)；相對濕度在35%～85%范圍內(nèi)（無結(jié)霜），周圍無易燃或腐蝕性氣體、過量的灰塵和金屬顆粒；避免過度的震動和沖擊；避免太陽光的直射和水的濺射。

（3）安裝注意事項(xiàng)

除了環(huán)境因素，安裝時還應(yīng)注意：PLC的所有單元都應(yīng)在斷電時安裝、拆卸；切勿將導(dǎo)線頭、金屬屑等雜物落入機(jī)體內(nèi)；模塊周圍應(yīng)留出一定的空間，以便于機(jī)體周圍的通風(fēng)和散熱。此外，為了防止高電子噪聲對模塊的干擾，應(yīng)盡可能將S7-200模塊與產(chǎn)生高電子噪聲的設(shè)備（如變頻器）分隔開。

S7—200PLC系統(tǒng)主機(jī)（CPU）模塊的外形和模塊功能簡介

S7—200系統(tǒng)CPU 22*系列PLC主機(jī)(CPU模塊)的外形如圖1所示。S7—200CPU模塊包括一個中央處理單元、存儲器、電源以及數(shù)字I／O點(diǎn)，這些都被集成在一個緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。輸人部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。

圖1 CPU 22*系列PLC的CPU外形

從CPU模塊的功能來看，SIMATICS7—200系列小型可編程序控制器發(fā)展至今，經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品的CPU模塊為CPU 21*，現(xiàn)已停產(chǎn)。第二代產(chǎn)品的CPU模塊為CPU 22*，是在21世紀(jì)初投放市場的。其速度快，具有極強(qiáng)的通訊能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元。

(1)CPU 221 CPU 221具有6輸入／4輸出，共計(jì)10個點(diǎn)的I／O，無擴(kuò)展能力，有6 KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。還具有4個獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出端，1個RS—485通訊／編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合于小點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。

(2)CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同點(diǎn)在于：它有8輸人／6輸出，共計(jì)14點(diǎn)I／O。可以帶兩個擴(kuò)展模塊，最多擴(kuò)展8路模擬量和64個I／O，因此是更廣泛的全功能控制器。

(3)CPU 224 它在CPU 222的基礎(chǔ)上使主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為24點(diǎn)，有14輸入／10輸出，可以帶7個擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展為168點(diǎn)數(shù)字量或者35點(diǎn)模擬量的輸入和輸出；存儲容量也進(jìn)一步增加，有內(nèi)置時鐘，還增加了一些數(shù)學(xué)指令和高速計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力。

(4)CPU 226 這種模塊在CPU 224的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，有24輸入／16輸出，主機(jī)輸入和輸出點(diǎn)數(shù)增到40點(diǎn)，最大可擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強(qiáng)；它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。
現(xiàn)在西門子公司新推出了一種增強(qiáng)型的CPU 226XM，它在用戶程序存儲容量上擴(kuò)大到8K字，其他指標(biāo)和CPU 226相同。

每一款主機(jī)模塊上都集成了24V直流電源，可以直接用于連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用EEPROM存儲存儲程序和配置信息。用戶數(shù)據(jù)可通過主機(jī)的超級電容存儲若干天，電池模塊可選，可使數(shù)據(jù)的存儲時間延長到200天?？梢杂闷胀ㄝ斎攵俗硬蹲奖?/span>CPU掃描周期更快的脈沖信號，利用中斷輸入，允許以極快的速度對信號的上升沿做出響應(yīng)。速度為30 kHz的高速計(jì)數(shù)器可以編程，并具有復(fù)位輸入端，多個獨(dú)立的輸入端，可同時用作加減計(jì)數(shù)，可以連接相應(yīng)數(shù)量的相位差為90度的A／B相增量編碼器。2路最大可達(dá)20kHz的高頻脈沖輸出，可用以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位任務(wù)?？梢杂媚K上的電位器來改變它對應(yīng)的特殊寄存器中的數(shù)值，可以即時更改程序運(yùn)行中的一些參數(shù)，如定時／計(jì)數(shù)器的設(shè)定值、過程量的控制參數(shù)等。實(shí)時時鐘可用以對信息加注時間標(biāo)記，記錄機(jī)器運(yùn)行時間或?qū)^程進(jìn)行時間控制。

工業(yè)自動化集團(tuán)可提供豐富的自動化系統(tǒng)、工業(yè)控制和工業(yè)軟件產(chǎn)品與系統(tǒng)，以及全面的工業(yè)解決方案，旨在幫助生產(chǎn)和過程工業(yè)中的客戶更加迅速、高效、靈活地進(jìn)行生產(chǎn)。作為行業(yè)領(lǐng)先的自動化專家和工業(yè)軟件供應(yīng)商，西門子工業(yè)自動化集團(tuán)對整個生產(chǎn)鏈進(jìn)行了優(yōu)化，包括從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)，到產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務(wù)。通過幫助生產(chǎn)和過程行業(yè)中的客戶實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理和維護(hù)流程的數(shù)字化無縫集成，其軟件解決方案可顯著降低成本，加快上市時間。

2012 年 3 月 15 日，西門子工業(yè)自動化產(chǎn)品成都生產(chǎn)及研發(fā)基地在成都開工建設(shè)，這是西門子在中國設(shè)立的最大的現(xiàn)代化數(shù)字工廠，它具備高度自動化水平并滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。工廠計(jì)劃于 2013 年竣工投產(chǎn)。該項(xiàng)目位于成都高新區(qū)西部園區(qū)，總建筑面積將近 4 萬平方米。新的工廠能為當(dāng)?shù)匦略鼍蜆I(yè)崗位 1000 余個。

一、人機(jī)界面無響應(yīng)，按觸摸任何部位都無響應(yīng)。
處理方法：遇到這種情況，首先檢查各接線接口是否出現(xiàn)松動，然后檢查串口及中斷號是否有沖突，如果是由于沖突引起的，那么應(yīng)調(diào)整資源，避開沖突。
其次，檢查人機(jī)界面表面是否出現(xiàn)裂縫，如發(fā)現(xiàn)有裂縫應(yīng)及時更換。此外，還需要檢查人機(jī)界面表面是否有塵垢，若有，用軟布進(jìn)行清除。觀察檢查控制盒上的指示燈是否工作正常，正常時，指示燈為綠色，并且閃爍。
如果上面的部分均正常，可用替換法檢查人機(jī)界面，先替換控制盒，再替換觸摸屏，最后替換主機(jī)。
二、人機(jī)界面正常但電腦不能操作。一臺人機(jī)界面，經(jīng)試驗(yàn)其本身一切正常，但接上主機(jī)后，電腦不能操作。
處理方法：對于這種情況，原因有二。其一，可能是人機(jī)界面驅(qū)動程序版本過低，需要安裝最新的驅(qū)動程序。其二，可能是在主機(jī)啟動裝載人機(jī)界面驅(qū)動程序之前，人機(jī)界面控制卡接收到操作信號，只需重新斷電后，再啟動計(jì)算機(jī)即可。
三、觸摸不準(zhǔn)。一臺表面聲波人機(jī)界面，用手指觸摸顯示器屏幕的部位不能正常地完成對應(yīng)的操作。
處理方法：這種現(xiàn)象有2種原因。第一種可能是聲波屏的反射條紋受到輕微破壞，如果遇到這種情況則將無法完全修復(fù)；第二種可能是聲波人機(jī)界面在使用一段時間后，屏四周的反射條紋上面被灰塵覆蓋，可用一塊干的軟布進(jìn)行擦拭，然后斷電、重新啟動計(jì)算機(jī)并重新校準(zhǔn)。

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S7-200 CPU22X 系列PLC I/O 點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展和編址

  S7-200 CPU22X 系列的每種主機(jī)所提供的本機(jī)I/O點(diǎn)的I/O地址是固定的，進(jìn)行擴(kuò)展時，可以在CPU右邊連接多個擴(kuò)展模塊。如圖所示，每個擴(kuò)展模塊的組態(tài)地址編號取決于各模塊的類型和該模塊在I/O鏈中所處的位置。輸入與輸出模塊的地址不會沖突，模擬量控制模塊地址也不會影響數(shù)字量。

    編址方法是同樣類型輸入或輸出點(diǎn)的模塊在鏈中按所處的位置而遞增，這種遞增是按字節(jié)進(jìn)行的，如果CPU或模塊在為物理I/0點(diǎn)分配地址時未用完一個字節(jié)，那些未用的位也不能分配給I/O鏈中的后續(xù)模塊。

    例如，某一控制系統(tǒng)選用CPU224，系統(tǒng)所需的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)為：數(shù)字量輸入24點(diǎn)、數(shù)字量輸出20點(diǎn)、模擬量輸入6點(diǎn)和模擬量輸出2點(diǎn)。

本系統(tǒng)可有多種不同模塊的選取組合，并且各模塊在I/O鏈中的位置排列方式也可能有多種，圖2所示為其中的一種模塊連接形式。表1所示為其對應(yīng)的各模塊的編址情況。

    表1  各模塊的編址

● 同類型輸入或輸出的模塊按順序進(jìn)行編制。 
● 數(shù)字量模塊總是保留以8位（1個字節(jié)）遞增的過程映象寄存器空間。如果模塊沒有給保留字節(jié)中每一位提供相應(yīng)的物理點(diǎn)，那些未用位不能分配給I/O鏈中的后續(xù)模塊。對于輸入模塊，這些保留字節(jié)中未使用的位會在每個輸入刷新周期中被清零。
● 模擬量I/O點(diǎn)總是以兩點(diǎn)遞增的方式來分配空間。如果模塊沒有給每個點(diǎn)分配相應(yīng)的物理點(diǎn)，則這些I/O點(diǎn)會消失并且不能夠分配給I/O鏈中的后續(xù)模塊。