魏振生 朱云茂 王鑫 楊翔

摘要：隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，國(guó)家越來(lái)越重視環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域，電氣控制技術(shù)有著大量的應(yīng)用，現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、測(cè)量和保護(hù)功能。電氣控制系統(tǒng)稱為電氣設(shè)備的二次控制回路。多個(gè)電氣元件的組合，用于控制一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，以保證被控制設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。主要功能包括自動(dòng)控制、保護(hù)、監(jiān)視和測(cè)量。許多學(xué)者對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);節(jié)能環(huán)保型;電氣控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都取得了令人矚目的成就。在此背景下，我國(guó)電氣自動(dòng)化設(shè)備的使用也在不斷推廣，電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展一直是我國(guó)高度重視的。近年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)許多行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越重視節(jié)能，這對(duì)電氣自動(dòng)化設(shè)備的節(jié)能效率提出了更高的要求。PLC變頻節(jié)能技術(shù)有效降低了電氣自動(dòng)化設(shè)備的能耗。PLC變頻節(jié)能技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，可用于建筑電氣、工業(yè)生產(chǎn)等設(shè)備。PLC變頻節(jié)能技術(shù)的基本原理是利用半導(dǎo)體器件有效地控制電氣設(shè)備工頻電流信號(hào)的變化。同時(shí)，設(shè)備的控制還可以將工頻電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電，從而有效地降低設(shè)備之間的能量損耗。通過(guò)這種方式，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流和設(shè)備的功耗來(lái)進(jìn)一步控制設(shè)備的功耗。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用PLC變頻節(jié)能技術(shù)不僅可以使電氣設(shè)備自動(dòng)化有效運(yùn)行，而且可以降低不必要的能耗。因此，應(yīng)用PLC變頻節(jié)能技術(shù)可以有效提高電氣設(shè)備的使用效率。

1基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1處理器設(shè)計(jì)

處理器設(shè)計(jì)目的是為系統(tǒng)提供接收與發(fā)送電氣控制系統(tǒng)信息的功能，選擇某公司生產(chǎn)的混合信號(hào)處理器MSP462H8SO1，MSP462H8SO1。

該處理器能夠同時(shí)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，其主要特性如下所述：

第一，具有256kROM，16kRAM，精簡(jiǎn)指令集為16位，高達(dá)25MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，指令周期為40ns;第二，低電壓供電即可;第三，該處理器中包含兩個(gè)外部時(shí)鐘和三個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘;第四，功耗低，并具有快速喚醒功能;第五，處理器片上外設(shè)豐富，其中包含3個(gè)定時(shí)器，并支持UART、SPI串口通信，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位，硬件乘法器為32位，4個(gè)DMA通道;第六，具有中斷功能，具有16個(gè)可屏蔽外部中斷，定時(shí)器和ADC等內(nèi)部中斷。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)MSP462H8SO1的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用可靠性與抗干擾性較高的看門(mén)狗復(fù)位電路，采用集成電路芯片IOSEF-8458實(shí)現(xiàn)，該芯片手動(dòng)復(fù)位功能和推晚式復(fù)位信號(hào)輸出功能。

1.2電源設(shè)計(jì)

當(dāng)主控系統(tǒng)故障時(shí)，主電源和備用電源不能正常工作。

主電源電路設(shè)計(jì)：選用lk847集成電路，電路外圍電路簡(jiǎn)單，只需4個(gè)外部元件，包括2個(gè)電解電容器、2個(gè)肖特基二極管和1個(gè)電感器，包括頻率補(bǔ)償和定頻振蕩器，具有熱關(guān)機(jī)和限流保護(hù)功能儀表的主要功能是了解主電源切斷后電氣控制系統(tǒng)顯示的相關(guān)參數(shù)和輸出接點(diǎn)信號(hào)，為主控芯片和液晶顯示器供電。

1.3控制器設(shè)計(jì)

在以上處理器設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以S7-200plc作為整個(gè)系統(tǒng)的核心。PLC的輸出端直接與主控制信號(hào)、指示信號(hào)、報(bào)警信號(hào)連接。各種控制邏輯和時(shí)間控制在PLC中編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，S7-200plc包含52個(gè)I/O引腳，可作為開(kāi)關(guān)量、脈沖和模擬量的輸入。

S7-200plc控制器具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，具有一定的網(wǎng)絡(luò)通信能力。它具有高可靠性和通用性的特點(diǎn)。在確定PLC配置和I/O外部接線后，可根據(jù)系統(tǒng)的控制要求改變系統(tǒng)功能，無(wú)需大量硬件接線電路。完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，為節(jié)能環(huán)保電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在上述對(duì)節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)目的是解決傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)能耗大的問(wèn)題，因此對(duì)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從兩方面完成優(yōu)化，一是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，二是設(shè)置報(bào)警機(jī)制，通過(guò)對(duì)PLC中的軟件編程，將PLC本身與軟件功能集合，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)上述公式計(jì)算能夠得到系統(tǒng)參數(shù)與性能之間的關(guān)系，在實(shí)際操作中，只需調(diào)節(jié)K值這個(gè)參數(shù)就能夠完成系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置報(bào)警機(jī)制，系統(tǒng)主要由硬件對(duì)電氣控制與監(jiān)控，但不具有自動(dòng)報(bào)警功能，因此設(shè)置警戒值。

根據(jù)上述計(jì)算能夠在電氣控制中產(chǎn)生的故障問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，能夠科學(xué)保障配電系統(tǒng)的運(yùn)行安全，精確計(jì)算電能，有效控制耗電量，以滿足系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保需求。為證明上述設(shè)計(jì)的有效性，將在下一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以某冶金電氣設(shè)備為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)之前初始化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別應(yīng)用文獻(xiàn)方法和文獻(xiàn)方法與此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法對(duì)設(shè)備控制，對(duì)比5天內(nèi)三種系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

并采用KIU-45I軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全面收集，并收集設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相關(guān)信息，包括設(shè)備運(yùn)行利用率、各種事件的觸發(fā)時(shí)間以及相關(guān)變量變化等，實(shí)驗(yàn)監(jiān)控終端的作用是記錄實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的信息，并將實(shí)驗(yàn)信息以曲線的形式展現(xiàn)出來(lái)，圖中服務(wù)器主要為實(shí)驗(yàn)提供通信功能。為了準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)計(jì)系統(tǒng)方法的運(yùn)行效率，需要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究，其具體操作流程如下：1）將節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的全部場(chǎng)景依次轉(zhuǎn)換為可控粒子數(shù)據(jù);2）配置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，同時(shí)對(duì)粒子群數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，同時(shí)將粒子的速度設(shè)定為0;3）通過(guò)PLC技術(shù)阻止全部場(chǎng)景;4）通過(guò)對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式更新粒子數(shù)據(jù)個(gè)體的最優(yōu)位置。

結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩方面完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件部分以PLC技術(shù)為系統(tǒng)的核心功能，主要包括處理器、控制器與電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件部分保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并設(shè)置臨界值，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，以有效控制耗電量，以此實(shí)現(xiàn)基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是：（1）是利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì);（2）是提出主控電源與備用電源的切換原理。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比其他方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能耗低，滿足了節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦曉峰，呼守信.新型多功能巷道修復(fù)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭工程，2017，49（9）：43-45.

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