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：充電方式及引數見表1；
b) 平常充電：與全充電前五個階段相同，只是第六個階段只需檢測到過度電壓在2.38～2.44 v 之間即可停止充電，不再需要穩定2h；
c) 補充充電：以200a/h 給蓄電池充電，當檢測到過度電壓在2.38～2.44 v 之間後穩定2h 即可停止充電；
d) 再充電：以200a/h 給蓄電池充電，當檢測到過度電壓在2.38～2.44 v 之間後穩定4h 即可停止充電。
（2）根據具體使用情況在觸控螢幕上設定不同的放電時率和放電電流，當檢測到蓄電池的電壓不大於終止電壓時停止放電。具體設定放電時率和放電電流見表2.
（3）有手動、自動操作功能，可相互切換。
2 硬體設計和工作原理
（1）系統組成：主要由s7-200 系列plc、模擬量擴充套件模組（4 輸入，1 輸出）、觸控螢幕、調壓吸收板、平衡電抗器、整流管、霍爾感測器、分流器、三相交流模組、穩流板、大功率變壓器、放電單元等組成。
（2）主要器件功能簡介：三相交流模組由六隻閘流體構成，採用數字移相控制電路使觸發準確可靠，再通過外圍控制電路改變其導通角，即可獲得所需的電壓。它的工作原理是利用放在磁場中的霍爾元件產生感應電壓的霍爾效應，將電流、電壓轉換為電訊號。
電壓反饋與電流反饋採用兩套獨立電路，互不影響，並且可通過外加電平實現自動轉換。 霍爾感測器的優點是轉換係數高，有電氣隔離作用，響應速度快，使設定電壓（0～10v）與輸出電壓與電流成較好的線
性對應關係（非線性度不大於5%），克服了閘流體移相角度與輸出電壓非線性的缺點。而且還縮短了控制電路與移相電路、主電路的訊號傳輸距離，有效降低了外部干擾，從而提高了三相交流模組的控制精度（閘流體控制曲線上線性度較好的範圍內，恆壓在100v～350v，恆流約在35%～75%最大設定電流，穩壓精度在0.5%，穩流精度在1%之內，**性度較差的範圍內，穩壓精度不大於1%，穩流精度不大於2%）對提高整機效能有很大好處。
在電網變化±
20%的情況下，輸出變化（調整範圍內）不大於±1%。三相交流模組具有多種保護功能—過流、過熱、缺相保護功能—使模組應用更為安全、方便。 三相交流模組以其控制電路精度高，平衡性好，工作電壓範圍寬，抗電流衝擊效能好，安裝使用簡單，可靠性高，體積小，免維護等特點，非常適合用作蓄電池充電的執行機構。
西門子公司生產的s7-200 系列plc 主要由主機（基本單元）、i/o 擴充套件單元、功能單元（模組）和外部裝置等組成，具有結構緊湊小巧、可靠性高、執行速度高、功能齊全等優點。本設計中選用的型號是cpu224，是以微處理器為核心的plc 主機板，具有完全意義的控制、運算、儲存功能。設有rs-485 通訊口，具有ppi、mpi 通訊協議和自由口通訊能力，可與上位機通訊。
整合了14 個輸入點，10 個輸出點。可連線7 個擴充套件模組，最大擴充套件至168 路數字量i/o點或35 路模擬量i/o 點。本設計中連線的是具有4個輸入點，1 個輸出點的em235 模組，其10mω 的輸入阻抗，12 位的解析度和多種輸入、輸出範圍能夠不用外加放大器而與感測器直接連線，輸出0～10v的訊號可直接控制三相交流模組和穩流板。
（3） 硬體系統框圖如圖1 所示。所有引數設定以及充放電操作均在觸控螢幕上完成，所有狀態和資料均在觸控螢幕上顯示，並通過rs485 資料線與主處理器（plc）連線。由於對充電的電流、電壓精度要求高，在理論設計上引入了數字式pid 控制模式，其控制系統原理框圖如圖2 所示。
由圖2 可知pid 控制是一種線性控制，給定值與實際輸出值構成控制偏差：
將偏差的比例（p）、積分（i）和微分（d）通過線性組合控制被控物件，其控制規律為：
式（2）中kp 是比例係數；t1 是積分時間常數；t d 是微分時間常數。系統使用的plc 控制實際是一種取樣控制，只能根據取樣時刻的偏差值計算控制量，因此式中的微分和積分項不能直接使用，需要進行離散化處理。以一系列的取樣時刻kt 代表連續時間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 是取樣序號，t 為取樣週期；u (k)是第k 次取樣時刻的plc 輸出值；e (k)是第k 次取樣時刻輸入的偏差值；e (k-1)是第k-1 次取樣時刻輸入的偏差值。至此得到了比較理想的控制函式和輸出值。plc的輸出值再控制執行機構給蓄電池充電。
首先通過模擬量擴充套件模組和霍爾感測器採集蓄電池當前電壓、電流，根據所檢測電壓值的大小來控制三相交流模組的輸出電壓，再經過大功率的變壓器（22kw）和整流管將電壓調至所需的直流2.38v～2.44v。
而連線plc和三相交流模組的穩流板時刻比較輸入、輸出值，根
據輸出值的變化及時調整輸入值，整個充電過程採用了帶反饋的穩壓、穩流的充電方式，形成閉環控制迴路，既保證動態響應速度又保證了充電電壓準確可靠。放電過程和充電過程在控制電路的設計上是一樣的，只是在放電迴路中設計了幾種不同的大功率的負載，通過控制幾種不同的大功率負載和蓄電池的連線實現不同時率的放電功能。
3 軟體設計
在軟體設計中，pid 控制演算法流程圖見圖3，充電控制流程圖見圖4。
系統啟動後，在充電模式下實時檢測蓄電池當前電壓、電流，選擇充電方式後開始充電。在正常情況下，根據反饋回來的當前值控制輸出的電流和電壓，直到檢測電量充滿後緩停。在檢測到有過流、過熱、缺項、斷水故障發生時，馬上緩停，並輸出聲光報警。
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