基于PLC技術(shù)的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計研究

魏振生 朱云茂 王鑫 楊翔

摘要：隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，國家越來越重視環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在當(dāng)今各個領(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)可以實現(xiàn)監(jiān)控、測量和保護功能。電氣控制系統(tǒng)稱為電氣設(shè)備的二次控制回路。多個電氣元件的組合，用于控制一個或多個對象，以保證被控制設(shè)備的安全可靠運行。主要功能包括自動控制、保護、監(jiān)視和測量。許多學(xué)者對電氣控制系統(tǒng)進行了大量的研究。

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

當(dāng)前，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)都取得了令人矚目的成就。在此背景下，我國電氣自動化設(shè)備的使用也在不斷推廣，電氣自動化領(lǐng)域的發(fā)展一直是我國高度重視的。近年來，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，我國許多行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)越來越重視節(jié)能，這對電氣自動化設(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)備工頻電流信號的變化。同時，設(shè)備的控制還可以將工頻電流信號轉(zhuǎn)換成直流電，從而有效地降低設(shè)備之間的能量損耗。通過這種方式，可以通過調(diào)節(jié)電流和設(shè)備的功耗來進一步控制設(shè)備的功耗。一般來說，應(yīng)用PLC變頻節(jié)能技術(shù)不僅可以使電氣設(shè)備自動化有效運行，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

1.1處理器設(shè)計

處理器設(shè)計目的是為系統(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)的混合信號處理器MSP462H8SO1，MSP462H8SO1。

該處理器能夠同時模擬信號和數(shù)字信號，其主要特性如下所述：

第一，具有256kROM，16kRAM，精簡指令集為16位，高達25MHz系統(tǒng)時鐘，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外部時鐘和三個內(nèi)部時鐘;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個定時器，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DMA通道;第六，具有中斷功能，具有16個可屏蔽外部中斷，定時器和ADC等內(nèi)部中斷。

在此基礎(chǔ)上，對MSP462H8SO1的最小系統(tǒng)設(shè)計，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實現(xiàn)，該芯片手動復(fù)位功能和推晚式復(fù)位信號輸出功能。

1.2電源設(shè)計

當(dāng)主控系統(tǒng)故障時，主電源和備用電源不能正常工作。

主電源電路設(shè)計：選用lk847集成電路，電路外圍電路簡單，只需4個外部元件，包括2個電解電容器、2個肖特基二極管和1個電感器，包括頻率補償和定頻振蕩器，具有熱關(guān)機和限流保護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)和輸出接點信號，為主控芯片和液晶顯示器供電。

1.3控制器設(shè)計

在以上處理器設(shè)計和電源設(shè)計的基礎(chǔ)上，以S7-200plc作為整個系統(tǒng)的核心。PLC的輸出端直接與主控制信號、指示信號、報警信號連接。各種控制邏輯和時間控制在PLC中編程實現(xiàn)。同時，S7-200plc包含52個I/O引腳，可作為開關(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，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。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，無需大量硬件接線電路。完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，為節(jié)能環(huán)保電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。

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

在上述對節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。此次設(shè)計目的是解決傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)能耗大的問題，因此對電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，從兩方面完成優(yōu)化，一是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，二是設(shè)置報警機制，通過對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。通過上述公式計算能夠得到系統(tǒng)參數(shù)與性能之間的關(guān)系，在實際操作中，只需調(diào)節(jié)K值這個參數(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)置報警機制，系統(tǒng)主要由硬件對電氣控制與監(jiān)控，但不具有自動報警功能，因此設(shè)置警戒值。

根據(jù)上述計算能夠在電氣控制中產(chǎn)生的故障問題進行自動報警，能夠科學(xué)保障配電系統(tǒng)的運行安全，精確計算電能，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)計的有效性，將在下一步進行實驗。

3實驗

實驗以某冶金電氣設(shè)備為實驗對象，在實驗之前初始化實驗設(shè)備，分別應(yīng)用文獻方法和文獻方法與此次設(shè)計的系統(tǒng)方法對設(shè)備控制，對比5天內(nèi)三種系統(tǒng)的運行情況。

并采用KIU-45I軟件，對實驗時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全面收集，并收集設(shè)備運行時的相關(guān)信息，包括設(shè)備運行利用率、各種事件的觸發(fā)時間以及相關(guān)變量變化等，實驗監(jiān)控終端的作用是記錄實驗產(chǎn)生的信息，并將實驗信息以曲線的形式展現(xiàn)出來，圖中服務(wù)器主要為實驗提供通信功能。為了準(zhǔn)確測量設(shè)計系統(tǒng)方法的運行效率，需要在實驗平臺上進行仿真研究，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)實驗中的全部場景依次轉(zhuǎn)換為可控粒子數(shù)據(jù);2）配置對應(yīng)的參數(shù)，同時對粒子群數(shù)據(jù)進行初始化處理，同時將粒子的速度設(shè)定為0;3）通過PLC技術(shù)阻止全部場景;4）通過對應(yīng)的計算公式更新粒子數(shù)據(jù)個體的最優(yōu)位置。

結(jié)論

針對傳統(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)計與系統(tǒng)軟件設(shè)計兩方面完成了系統(tǒng)的設(shè)計，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，系統(tǒng)的軟件部分保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并設(shè)置臨界值，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則自動觸發(fā)報警機制，以有效控制耗電量，以此實現(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)計的節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點是：（1）是利用PLC技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計;（2）是提出主控電源與備用電源的切換原理。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的系統(tǒng)比其他方法設(shè)計的系統(tǒng)能耗低，滿足了節(jié)能環(huán)保型電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計需求，對實現(xiàn)能源節(jié)約，具有一定的實際應(yīng)用意義。

參考文獻：

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

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