康奇圣

（泉州空港物業(yè)管理有限公司，福建 泉州 362200）

現(xiàn)代機(jī)場(chǎng)是一個(gè)大型的、復(fù)雜的系統(tǒng)，其中機(jī)場(chǎng)供電控制系統(tǒng)是保證航班正常運(yùn)行的重要組成部分。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)采用手動(dòng)控制，需要大量人力資源進(jìn)行操作和維護(hù)，效率低下且容易出現(xiàn)安全事故。因此，為了保障機(jī)場(chǎng)的安全和可靠性，需要設(shè)計(jì)一種高效、精準(zhǔn)、安全、可靠的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展和自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷成熟，基于PLC的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。PLC技術(shù)是目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)之一。PLC具有可編程性強(qiáng)、功能豐富、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。因此，本文設(shè)計(jì)了基于PLC的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并與傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，以此展示其優(yōu)勢(shì)和可行性。以提高機(jī)場(chǎng)低壓供電的安全性和能效性，滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求，為未來(lái)機(jī)場(chǎng)供電的發(fā)展提供新思路和新方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC可編程邏輯控制芯片

在機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，PLC可編程邏輯控制芯片是核心部件之一。它主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理、邏輯判斷和運(yùn)算，并控制輸出信號(hào)的開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)低壓供電的控制和管理。本文選取的是一種由西門子公司生產(chǎn)的型號(hào)為6ES7 2210BA23，容量為128MB的PLC芯片。由于PLC芯片具有高速處理能力、可編程性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可靠性好等特點(diǎn)，所以被用于機(jī)場(chǎng)低壓供電自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并安裝在該系統(tǒng)的PLC控制模塊中，控制模塊中的PLC芯片與微處理器S3C2510芯片的總線連接圖如圖1所示。

圖1 PLC的總線連接圖

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 低壓電流數(shù)據(jù)采集器

低壓電流數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)場(chǎng)低壓供電系統(tǒng)中的電流信號(hào)進(jìn)行采集、處理和傳輸，為PLC控制器提供準(zhǔn)確的電流數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)低壓供電系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和監(jiān)測(cè)。根據(jù)機(jī)場(chǎng)低壓供電系統(tǒng)的實(shí)際情況和控制要求，為了保證采集的電流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，需要選用高精度、高性能的電流采集芯片。所以本文選用了AD737芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊，它是一種集成了高精度ADC、PGA、參考電壓源和I2C接口等多種功能的電流采集芯片，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，并且它還是一種直流轉(zhuǎn)換器，可以精確地進(jìn)行電流采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，以獲得不同形式信號(hào)的精準(zhǔn)電流數(shù)據(jù)采集結(jié)果，為低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控和控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.3 供電控制通訊模塊

供電控制通訊模塊負(fù)責(zé)將PLC控制器與其他外部設(shè)備進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)低壓供電系統(tǒng)的全面控制和監(jiān)測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和通訊要求，選擇合適的通訊協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)低壓供電控制系統(tǒng)中不同設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，本文選擇了Modbus總線協(xié)議作為低壓供電控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，通過(guò)Modbus協(xié)議，低壓供電控制系統(tǒng)中的不同設(shè)備可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，并能夠快速、可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓供電系統(tǒng)中的各種設(shè)備和控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，并選擇客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)各供電裝置的通信結(jié)構(gòu)。通過(guò)利用客戶端的處理能力，減少控制系統(tǒng)的通信負(fù)擔(dān)，降低服務(wù)器的工作量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算機(jī)場(chǎng)低壓電流輸入輸出幅值

計(jì)算機(jī)場(chǎng)低壓電流輸入輸出幅值的方法可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，本文選取振蕩幅度調(diào)制算法來(lái)計(jì)算機(jī)場(chǎng)低壓電流輸入輸出幅值，振蕩幅度調(diào)制算法是一種通過(guò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，來(lái)推算電流幅值的方法，提升PLC芯片的控制性能，實(shí)現(xiàn)功率增益分配均衡。在采集低壓供電系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)時(shí)，利用電流采集芯片等數(shù)據(jù)采集裝置，并設(shè)置調(diào)諧回路信號(hào)表達(dá)式如下：

式中，Rs表示采集的高頻信號(hào)，Rr表示采集低頻信號(hào)；h1表示調(diào)諧信號(hào)，Msr表示調(diào)諧系數(shù)；表示載頻分量，表示中頻振蕩器的工作頻率。

為了均衡處理通帶內(nèi)頻譜分量的增益分配，系統(tǒng)采用選頻濾波處理方法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)選頻濾波處理方法后，接收機(jī)振蕩起振，低壓電流輸入輸出的幅值表達(dá)式為：

式中，sV表示高頻電壓，cV表示干擾電壓信號(hào)，Z表示阻抗，最后的計(jì)算結(jié)果為機(jī)場(chǎng)低壓電流輸入輸出幅值。

2.2 控制直流電流越限與過(guò)調(diào)制限幅

機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)會(huì)把低壓電流輸入輸出幅值與預(yù)設(shè)的幅值范圍進(jìn)行比較，以檢測(cè)電流是否越限，一旦檢測(cè)到電流越限，系統(tǒng)需要采用過(guò)調(diào)制限幅技術(shù)進(jìn)行控制。過(guò)調(diào)制限幅技術(shù)是指在直流電流超出范圍時(shí)，通過(guò)改變脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比，控制輸出的直流電流。這樣可以保證直流電流在合理的范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)避免出現(xiàn)電路短路或其他故障情況。首先，需要設(shè)置直流電流的上下限，以便在檢測(cè)到越限時(shí)能夠進(jìn)行控制，即直流電流表達(dá)式為：

其次，設(shè)開關(guān)周期是Ts，第k拍的直流電流為idc(k)，第k+1拍的直流電流為idc(k+1)，得到直流側(cè)電感的離散狀態(tài)方程為：

整理可得參考矢量幅值的表達(dá)式為：

當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，電流超過(guò)保護(hù)閡值觸發(fā)逆變器故障保護(hù)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，供電系統(tǒng)可靠性降低。因此，在交流電壓控制器與直流電流控制器之間加一個(gè)直流電流限幅器，限幅器工作原理如圖3所示。

圖3 直流電流越線控制示意圖

如圖3所示，在0-t1時(shí)間段內(nèi)，直流電流參考值idcref小于最大值idcrefmax時(shí)，變流器工作在電壓控制模式。而t1時(shí)刻，因?yàn)樨?fù)荷突然變大，直流電流參考值idcref達(dá)到了最大值，逆變器進(jìn)入電流控制模式。到t2時(shí)刻負(fù)載變小，逆變器穿越了短時(shí)過(guò)載，重新恢復(fù)電壓控制模式。最后系統(tǒng)采用PID控制算法進(jìn)行反饋控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整直流電流的輸出，以確保在任何時(shí)候都能夠保持合理的輸出范圍，從未有效地控制直流電流的越限和過(guò)調(diào)制限幅，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)低壓供電自動(dòng)化控制

當(dāng)用戶通過(guò)控制系統(tǒng)的顯示界面選擇所需的功能時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)相關(guān)的控制功能，并通過(guò)控制界面向用戶顯示所需的控制結(jié)果。當(dāng)檢測(cè)出現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況，可編程控制器會(huì)自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)作，并將故障類型寫人報(bào)警信息表，以便后續(xù)對(duì)故障進(jìn)行處理，PID可以通過(guò)設(shè)定參數(shù)及反饋信息實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)，PID輸入輸出關(guān)系式為：其中Kp為比例系數(shù)，1T為積分時(shí)間常數(shù)，DT為微分時(shí)間常數(shù)。

假設(shè)采樣周期為T，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)刻為t=0，將上式離散化后得：

其中U(n)為第n次采樣后PID控制器的輸出，n為采樣序號(hào)，T為采樣周期，e(n)第n次采樣時(shí)的誤差值，KI為積分常數(shù)，KD為微分系數(shù)。至此我們基于PLC完成實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)低壓供電設(shè)施進(jìn)行智能控制，從而對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)各種電力設(shè)備的精準(zhǔn)控制，保證機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 搭建測(cè)試平臺(tái)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)低壓供電的控制性能具有一定的有效性，需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，我們將該系統(tǒng)應(yīng)用于某機(jī)場(chǎng)的低壓供電系統(tǒng)中，并成功搭建的基于PLC的低壓供電控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)定該機(jī)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制的電路數(shù)量是500個(gè)，設(shè)備數(shù)量是200個(gè)，并將其用于與傳統(tǒng)的低壓供電控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由本文基于PLC所設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)監(jiān)控低壓供電系統(tǒng)中供電線路的節(jié)點(diǎn)電流變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 供電線路節(jié)點(diǎn)電流監(jiān)控結(jié)果

根據(jù)圖5的結(jié)果，可以看出本文基于PLC所設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)控制低壓供電控制系統(tǒng)中各個(gè)供電線路的節(jié)點(diǎn)電流情況，當(dāng)出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，工作人員可以迅速通過(guò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電流的變化狀態(tài)快速確定低壓供電控制系統(tǒng)的故障點(diǎn)，及時(shí)解決問(wèn)題，從而提高低壓供電控制系統(tǒng)的可靠性，并能夠隨時(shí)了解低壓供電供電線路的運(yùn)行狀態(tài)，從而判斷低壓供電控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，提高低壓供電控制系統(tǒng)的安全性。此外，根據(jù)圖6的系統(tǒng)側(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以有效控制低壓供電網(wǎng)絡(luò)的電壓波動(dòng)狀態(tài)。與傳統(tǒng)的低壓供電控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以有效改善電壓波動(dòng)情況，提升低壓供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。該系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和線路的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)異?；驍?shù)值偏高時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。因此，該系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控功能可以提高低壓供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和安全性，減少電力供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 電壓波動(dòng)兩系統(tǒng)控制結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電力自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PLC的機(jī)場(chǎng)低壓供電控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種越來(lái)越受歡迎的解決方案。本文重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集和分析、供電控制通訊模塊、測(cè)試平臺(tái)搭建以及實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)低壓供電自動(dòng)化控制等方面的內(nèi)容。雖然該系統(tǒng)在成本等方面可能會(huì)有一定的挑戰(zhàn)，但是它的智能化、可靠性和可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)可以帶來(lái)長(zhǎng)期的效益和價(jià)值。在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步探索如何將該系統(tǒng)應(yīng)用到更廣泛的場(chǎng)景中，以滿足不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。