基于PLC的蓄电池充放电控制系统设计

基于PLC的蓄电池充放电控制系统设计
1 控制要求
（1）能够以四种不同方式给蓄电池充电：
a）全充电：充电方式及参数见表1；
b) 平常充电：与全充电前五个阶段相同，只是第六个阶段只需检测到过度电压在2.38～2.44 V 之间即可停止充电，不再需要稳定2h；
c) 补充充电：以200A/h 给蓄电池充电，当检测到过度电压在2.38～
2.44 V 之间后稳定2h 即可停止充电；
d) 再充电：以200A/h 给蓄电池充电，当检测到过度电压在2.38～2.44 V 之间后稳定4h 即可停止充电。

（2）根据具体使用情况在触摸屏上设定不同的放电时率和放电电流，当检测到蓄电池的电压不大于终止电压时停止放电。

具体设定放电时率和放电电流见表2.
（3）有手动、自动操作功能，可相互切换。

2 硬件设计和工作原理
（1）系统组成：主要由S7-200 系列PLC、模拟量扩展模块（4 输入，1 输出）、触摸屏、调压吸收板、平衡电抗器、整流管、霍尔传感器、分流器、三相交流模块、稳流板、大功率变压器、放电单元等组成。

（2）主要器件功能简介：三相交流模块由六只晶闸管构成，采用数字移相控制电路使触发准确可靠，再通过外围控制电路改变其导通角，即可获得所需的电压。

它的工作原理是利用放在磁场中的霍尔元件产生感应电压的霍尔效应，将电流、电压转换为电信号。

电压反馈与电流反馈采用两套独立电路，互不影响，并且可通过外加电平实现自动转换。

霍尔传感器的优点是转换系数高，有电气隔离作用，响应速度快，使设定电压（0～10V）与输出电压与电流成较好的线
性对应关系（非线性度不大于5%），克服了晶闸管移相角度与输出电压非线性的缺点。

而且还缩短了控制电路与移相电路、主电路的信号传输距离，有效降低了外部干扰，从而提高了三相交流模块的控制精度（晶闸管控制曲线上线性度较好的范围内，恒压在100V～350V，恒流约在35%～75%最大设定电流，稳压精度在0.5%，稳流精度在1%之内，在线性度较差的范围内，稳压精度不大于1%，稳流精度不大于2%）对提高整机性能有很大好处。

在电网变化±
20%的情况下，输出变化（调整范围内）不大于±1%。

三相交流模块具有多种保护功能—过流、过热、缺相保护功能—使模块应用更为安全、方便。

三相交流模块以其控制电路精度高，平衡性好，工作电压范围宽，抗电流冲击性能好，安装使用简单，可靠性高，体积小，
免维护等特点，非常适合用作蓄电池充电的执行机构。

西门子公司生产的S7-200 系列PLC 主要由主机（基本单元）、I/O 扩展单元、功能单元（模块）和外部设备等组成，具有结构紧凑小巧、可靠性高、运行速度高、功能齐全等优点。

本设计中选用的型号是CPU224，是以微处理器为核心的PLC 主板，具有完全意义的控制、运算、存储功能。

设有RS-485 通信口，具有PPI、MPI 通信协议和自由口通信能可与上位机通讯。

集成了14 个输入点，10 个输出点。

可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O点或35 路模拟量I/O 点。

本设计中连接的是具有4个输入点，1 个输出点的EM235 模块，其10MΩ的输入阻抗，12 位的分辨率和多种输入、输出范围能够不用外加放大器而与传感器直接连接，输出0～10V的信号可直接控制三相交流模块和稳流板。

（3）硬件系统框图如图1 所示。

所有参数设定以及充放电操作均在触摸屏上完成，所有状态和数据均在触摸屏上显示，并通过RS485 数据线与主处理器（PLC）连接。

由于对充电的电流、电压精度要求高，在理论设计上引入了数字式PID 控制模式，其控制系统原理框图如图2 所示。

由图2 可知PID 控制是一种线性控制，给定值与实际输出值构成控制偏差：
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合控制被控对象，其控制规律为：
式（2）中Kp 是比例系数；T1 是积分时间常数；T D 是微分时间常数。

系统使用的PLC 控制实际是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式中的微分和积分项不能直接使用，需要进行离散化处理。

以一系列的采样时刻kT 代表连续时间t，以和式代
替积分，及增量代替微分可做如下近似变换：
式（4）中，k 是采样序号，T 为采样周期；u (k)是第k 次采样时刻的PLC 输出值；e (k)是第k 次采样时刻输入的偏差值；e (k-1)是第k-1 次采样时刻输入的偏差值。

至此得到了比较理想的控制函数和输出值。

PLC的输出值再控制执行机构给蓄电池充电。

首先通过模拟量扩展模块和霍尔传感器采集蓄电池当前电压、电流，根据所检测电压值的大小来控制三相交流模块的输出电压，再经过大功率的变压器（22kW）和整流管将电压调至所需的直流2.38V～2.44V。

而连接PLC 和三相交流模块的稳流板时刻比较输入、输出值，根
据输出值的变化及时调整输入值，整个充电过程采用了带反馈的稳压、稳流的充电方式，形成闭环控制回路，既保证动态响应速度又保证了充电电压准确可靠。

放电过程和充电过程在控制电路的设计上是一样的，只是在放电回路中设计了几种不同的大功率的负载，通过控制几种不同的大功率负载和蓄电池的连接实现不同时率的放电功能。

3 软件设计
在软件设计中，PID 控制算法流程图见图3，充电控制流程图见图4。

系统启动后，在充电模式下实时检测蓄电池当前电压、电流，选择充
电方式后开始充电。

在正常情况下，根据反馈回来的当前值控制输出的电流和电压，直到检测电量充满后缓停。

在检测到有过流、过热、缺项、断水故障发生时，马上缓停，并输出声光报警。