基于PLC的樓宇供電系統研究

摘 要：隨著社會的發展，大型辦公樓的使用正在迅速增多，然而針對辦公樓的供電大多數依然采用人工管理控制，其可靠性和機動性差、人力資源浪費嚴重。針對此問題，本文提出一種基于PLC控制的樓宇供電控制方案，本方案以PLC可編程控制器為核心，結合溫度傳感器、人員感知、光敏傳感器、GSM等功能器件，實現了樓宇用電的自動控制。經過檢驗，系統可靠性高、節電明顯，并且具有較高的移植性和擴展性。

關鍵詞：PLC；樓宇供電；自動控制；節電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.166

0 引言

近年來我國經濟發展迅速，越來越多的高層辦公樓被投入使用，因而傳統的供電系統和模式已經不能跟上實際的需要。由于傳統供電方式需要完全依賴人工，操作繁瑣而且效率低下，并且系統整體的可靠性也較低。同時傳統供電方式粗放，所帶來的資源浪費非常嚴重[1]。

隨著八十年代美國實驗成功了第一棟智能化建筑開始，智能化發展十分迅速，已經逐步成為目前建筑的標配，韓國的松島新城已經發展成為完全的智能化城市。所謂的智能化建筑系統包括了電力、安全、通信、安保、生活所需等方面的全自動行為，然而，目前國內大部分樓宇建筑，尤其老式建筑的所有以上功能都采用人工進行管理，基本沒有針對社會的發展進行相應的改造，只有少數位置開始更換聲控或光控來進行供電，依然不能滿足社會發展的需要[2]。

針對市場調查顯示，市面上功能全面且技術先進的系統造價高并且不具備通用性，定制周期較長同時后期維護繁瑣，不能與時俱進的進行功能拓展，因此不適合普通辦公樓的電力改造。而功能簡單的系統可靠性較差，技術不夠成熟，不能完全滿足用戶需求[3]。因此，本研究提出了基于PLC的智能樓宇供電系統，其可定制性高且系統穩定性高、便于功能的拓展、造價低廉，更加適合市場的需要。

1 系統功能及指標

針對市場需要，所研究的供電系統主要實現自動控制功能。自動控制就是使系統按照事先預定的若干工況進行工作，不需要人工干涉。該系統主要分為照明用電控制、空調用電控制、個人計算機用電控制、換氣扇用電控制、短信報修與GSM遠程控制及上位機實時監控、基于VPN技術的Internet遠程控制六個主要部分，本供電系統需要實現的基本功能點如下[4]。

針對現代辦公樓的建筑特點，本研究中的主要控制對象有：照明、空調、個人計算機、機房、換氣扇、短信報修及GSM遠控、上位機監控及VPN系統。性能指標主要有：（1）系統所有元器件要可靠性高、壽命長、安裝和維護簡單、造價成本低、后期可擴展性好、運營成本低，具有很高的經濟效益；（2）系統各項參數可設定，使整個系統處于自動工作狀態，同時可以根據實際需要進行相應調節；（3）能夠實現GSM通信并對信息進行讀取和發送，可以實現遠程保修、短信監控的功能；（4）具有適合非專業人士操作的上位機控制和顯示界面，以便直觀的對系統進行觀測和控制[5]；（5）將系統功能進行模塊化集成，方便日常系統維護以及功能的升級和擴展；（6）能實現完整的電力、火災等常規安全事故的報警功能。

2 系統方案設計

系統方案設計包括系統總體控制功能設計以及組網功能設計，分別如圖1和圖2所示。系統的總體設計使得系統具有清晰的模塊化結構便于維護和升級擴展；系統組網需要針對實際系統設計出可靠且功能全面的通信和人機交互方案，增強系統的可靠性并提高運行效率。

系統控制框圖如圖1所示，使用SIEMENS研發的CPU226 PLC為控制核心，框圖中所設計的光照檢測、溫度檢測、人數檢測分別使用外接光照傳感器、溫度傳感器、接近開關實現。所涉及的各種控制功能都可以通過對S7-200 CPU226編程實現信號的檢測和轉換并執行。

系統組網如圖2所示，將上位機和PLC連入公司內網，同時設定固定IP地址并加密，僅授權管理員具有訪問權限，最大限度的保證了系統的安全性。此外系統配置了智能短信報警器GRM200，實現雙向傳輸功能：故障時向管理員報警；管理員遠程通過手機短信可控整套系統。系統聯網使其可完全無人值守，極大的提高了系統的執行效率[6]。

3 軟硬件設計

通過以上對系統功能和組網需求的分析可列出系統所使用的元器件選型，具體選型結果如下圖所示。由于實現整體功能所使用的器件較多，單個CPU接口無法滿足實際需要，因此使用了多個擴展模塊，選型及布局如圖3所示。

根據以上選型及具體元器件的布局，本研究基于PLC的供電系統包括對生活區域的供電控制如照明控制、空調及個人電腦用電以及對整棟樓宇的安全性管理如機房溫度控制、錯誤報警的問題。針對以上需要，本文所研究的智能供電控制系統的部分流程圖如下圖4所示。

4 可靠性分析

雖然本系統僅工作在一般工況下，不屬于高溫、強電磁場等惡劣環境，但是系統屬于長時間運行，同時服務于辦公場所，因此要保證系統的可靠性和穩定性[3]。系統可靠性檢驗主要集中在PLC及其擴展組件的選型和安裝上。

PLC的工作溫度一般要求在在0℃～55℃，所以要保證PLC周圍通風良好并且周邊沒有發熱量大的元件[7]。在濕度方面，為了保證PLC的絕緣性能防止內部受潮短路，控制濕度必須小于85%，這樣的環境在一般的室內都可以滿足。然而對于系統來說，由于本身也是耗電系統，可靠性最關鍵的地方是需要有UPS穩壓電源的支持，以保證全局斷電時系統不受影響的繼續運行[7]。

在穩定性和安全性要求更加嚴苛的場所，需要對數字量輸入模塊增加繼電保護裝置，當系統中因為故障出現大電流時，繼電保護的存在可以保護后端的數字處理器不受損害，故障消除后系統能夠自動恢復運行。

5 結論

經過將本文所設計的系統應用到工程實際中，實際運行顯示本系統可靠穩定，并且每月節約電量12%左右，對于大型辦公樓來說，一季度節約電費了即可完成本系統的部署，后期維護成本低。同時做到了大量節約人力和勞力，系統維護性強移植性高。實際使用證明，本研究提出的設計方案具有極高的工程實用性。

參考文獻：

[1]楊晨，毛玲，陳文明等. 直流樓宇供電系統的設計要求分析與研究[J].電源學報，2014，12（03）：33-41.

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[3]唐建國，余斌.PLC在教學樓照明控制系統中的應用[J].微計算機信息，2006，22（04）：111-112， 152.

[4]王晴.農村樓宇智能化供電模式及其應用效果[J].電力需求側管理，2014，16（03）：49-51.

[5]劉澤西，劉小麗，王勇等.低壓供電在線監測系統在樓宇自動化中的應用[J].電工電氣，2013，2（01）：27-30.

[6]安琳，冀建利，王麗娟.基于TMS320F2407的樓宇智能供電系統[J].科技信息， 2009，3（07）：50-51.

[7]于慶廣.可編程控制器原理及系統設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：劉丹（1989-），女，回族，山東濟寧人，學士，高校助教，主要從事電氣教學工作。