魯業(yè)安

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

引言

環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，國家對(duì)于環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)投入越來越多的關(guān)注.在當(dāng)今的各個(gè)領(lǐng)域中，電氣控制技術(shù)有著大量的運(yùn)用，現(xiàn)代的電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)視、測(cè)量以及保護(hù)多方面功能[1].電氣控制系統(tǒng)被稱為電氣設(shè)備二次控制回路，是指由若干電氣元件組合，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)或某些對(duì)象的控制，從而保證被控設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行，主要功能包括自動(dòng)控制、保護(hù)、監(jiān)視和測(cè)量[2].眾多學(xué)者對(duì)于電氣控制系統(tǒng)相關(guān)研究做了大量工作.

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)諧波干擾下建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)，首先評(píng)估用電壓負(fù)荷和構(gòu)建整個(gè)建筑的空間布局，設(shè)計(jì)低壓配電系統(tǒng)的硬件部分，然后檢測(cè)存在的諧波干擾，最后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分，完成諧波干擾下建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)基于電氣距離矩陣特征根分析的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制分區(qū)方法，通過分析電氣距離矩陣確定最佳分區(qū)數(shù)，在此基礎(chǔ)上，判斷電氣距離，得到主動(dòng)配電網(wǎng)電壓矩陣，最后進(jìn)行電氣距離矩陣特征根分析，完成主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制分區(qū)設(shè)計(jì).雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但均未考慮節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)存在能耗的問題，為解決這一問題，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).PLC技術(shù)是一種在生產(chǎn)中可以對(duì)生產(chǎn)過程控制的數(shù)字化電子裝置，其能夠代替繼電器控制系統(tǒng)，構(gòu)造復(fù)雜的工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制與管理，因此將其應(yīng)用到節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有重要意義.

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩方面實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件主要包括處理器設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)，軟件部分主要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，設(shè)置了警戒值，若電氣控制系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，以有效控制耗電量，以此完成電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗小，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義.

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處理器的部分功能圖如圖1所示：

圖1 MSP462H8SO1處理器的部分功能圖

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256 k ROM，16 k RAM，精簡(jiǎn)指令集為16位，高達(dá)25 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，指令周期為40 ns；

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)

為保證節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)，主要包括主電源和備用電源，在主電源工作時(shí)，備用電源失效，主電源失效，備用電源工作時(shí)，三相異步電機(jī)不能操作，只保持系統(tǒng)的主控芯片正常工作.

主電源電路設(shè)計(jì)：選擇LK847集成電路[5]，該電路外圍電路簡(jiǎn)單，只需4個(gè)外部元件，其中包括2個(gè)電解電容，2個(gè)肖特基二極管和1個(gè)電感，其中包含頻率補(bǔ)償和固定頻率振蕩器，具有熱關(guān)斷和電流限制保護(hù)的功能[6],[7].

在上述對(duì)主電源電路設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)備用電源電路設(shè)計(jì)，主要作用是在主電源斷電后，了解電氣控制系統(tǒng)顯示的有關(guān)參數(shù)和輸出接點(diǎn)信號(hào)，為主控芯片、液晶等供電.

主電源與備用電源切換通過一只8腳的HR-787H實(shí)現(xiàn)，HR-787H中包含24VDC線圈電壓，消耗功率為200 mW，主控電源與備用電源的切換原理如圖2所示,圖2中IN4007作用是防治用戶在電源接線時(shí)反接對(duì)系統(tǒng)造成損壞，電解電容的作用是消除電源干擾.

圖2 主控電源與備用電源的切換原理

1.3 控制器設(shè)計(jì)

在上述處理器設(shè)計(jì)與電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以S7-200PLC為控制器[8]設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，將其作為整個(gè)系統(tǒng)的核心.PLC輸出終端直接和主要的控制信號(hào)、指示信號(hào)、報(bào)警信號(hào)一級(jí)控制器件[9]相連，各種控制邏輯以及時(shí)間控制都在PLC內(nèi)部通過編程實(shí)現(xiàn).同時(shí)，S7-200PLC包含52個(gè)I/O引腳[10]，可作為開關(guān)量、脈沖和模擬量的輸入. S7-200PLC控制器中的具體硬件配置如圖3所示：

圖3 S7-200PLC控制器原理框圖

S7-200PLC控制器具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，并具備一定的網(wǎng)絡(luò)通信能力，具有可靠性、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在確定PLC配置和I/O外部接線后就可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求對(duì)變更系統(tǒng)功能，不需要大量硬件接線電路.以此完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，為節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)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[11]，通過對(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，計(jì)算公式如下:

W(s)=K/S(ys+q)

(1)

式(1)中，W(s)代表系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)，K代表開環(huán)增益，s代表系統(tǒng)的固定參數(shù)，ys為系統(tǒng)的中斷頻率，q為系統(tǒng)穩(wěn)定性能的校正參數(shù)[12].

通過上述公式計(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，計(jì)算公式如下所示：

(2)

式(2)中，G|H|代表系統(tǒng)硬件傳輸?shù)南到y(tǒng)基本信息，Ab為系統(tǒng)運(yùn)行情況的判定參數(shù)，g代表設(shè)置的警戒值.當(dāng)g>1時(shí)，代表系統(tǒng)出現(xiàn)一定的問題，在g≤1時(shí)，代表系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制.

根據(jù)上述計(jì)算能夠在電氣控制中產(chǎn)生的故障問題進(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)對(duì)比

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并將文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法與本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行對(duì)比.

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

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)[3]方法和文獻(xiàn)[4]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，具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示：

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在圖4中，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，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PLC技術(shù)阻止全部場(chǎng)景；

4)通過對(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.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)操作流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法與此次設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果如圖所5示：

圖5 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由圖5可知，分析實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)在第一天運(yùn)行時(shí)，能耗相對(duì)較低，而隨著實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電氣控制系統(tǒng)能耗均呈上升趨勢(shì).在第5天時(shí)，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)與此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能耗差別最大.其能耗明顯比傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗低，并且整體的能耗曲線均在期望能耗下.

通過上述實(shí)驗(yàn)證明，此次設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)比文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能耗低，實(shí)現(xiàn)了更低的耗能與更高的運(yùn)行穩(wěn)定性，證明了此次設(shè)計(jì)的方法的有效性.

4 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.