基于PLC的機場低壓供電控制系統設計與優化研究

康奇圣

（泉州空港物業管理有限公司，福建 泉州 362200）

現代機場是一個大型的、復雜的系統，其中機場供電控制系統是保證航班正常運行的重要組成部分。傳統的機場低壓供電控制系統采用手動控制，需要大量人力資源進行操作和維護，效率低下且容易出現安全事故。因此，為了保障機場的安全和可靠性，需要設計一種高效、精準、安全、可靠的機場低壓供電控制系統。隨著科技的發展和自動化控制技術的不斷成熟，基于PLC的機場低壓供電控制系統應運而生。PLC技術是目前工業自動化領域中應用最廣泛的控制技術之一。PLC具有可編程性強、功能豐富、響應速度快、可靠性高等優點，在機場低壓供電控制系統中有廣泛應用。因此，本文設計了基于PLC的機場低壓供電控制系統的設計與實現，并與傳統機場低壓供電控制系統進行對比，以此展示其優勢和可行性。以提高機場低壓供電的安全性和能效性，滿足復雜的應用需求，為未來機場供電的發展提供新思路和新方法。

1 系統硬件設計

1.1 PLC可編程邏輯控制芯片

在機場低壓供電控制系統硬件設計中，PLC可編程邏輯控制芯片是核心部件之一。它主要負責對輸入信號進行處理、邏輯判斷和運算，并控制輸出信號的開關狀態，從而實現對機場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的型號為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、穩定性高、可靠性好等特點，所以被用于機場低壓供電自動化控制系統，并安裝在該系統的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 通信模塊結構圖

1.2 低壓電流數據采集器

低壓電流數據采集器負責對機場低壓供電系統中的電流信號進行采集、處理和傳輸，為PLC控制器提供準確的電流數據，從而實現對機場低壓供電系統的精準控制和監測。根據機場低壓供電系統的實際情況和控制要求，為了保證采集的電流數據準確可靠，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芯片作為數據采集模塊，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，被廣泛應用于電力系統等領域，并且它還是一種直流轉換器，可以精確地進行電流采集和實時數據傳輸，以獲得不同形式信號的精準電流數據采集結果，為低壓電力系統的監控和控制提供了可靠的數據支持。

1.3 供電控制通訊模塊

供電控制通訊模塊負責將PLC控制器與其他外部設備進行通訊和數據交換，實現機場低壓供電系統的全面控制和監測。根據系統的實際情況和通訊要求，選擇合適的通訊協議，為了實現低壓供電控制系統中不同設備之間的通信和數據交換，本文選擇了Modbus總線協議作為低壓供電控制系統的通信協議，通過Modbus協議，低壓供電控制系統中的不同設備可以進行雙向數據通信，并能夠快速、可靠地實現數據的傳輸和處理。同時，實現對低壓供電系統中的各種設備和控制器的遠程監控和控制，并選擇客戶端/服務器結構作為系統各供電裝置的通信結構。通過利用客戶端的處理能力，減少控制系統的通信負擔，降低服務器的工作量。

2 系統軟件設計

2.1 計算機場低壓電流輸入輸出幅值

計算機場低壓電流輸入輸出幅值的方法可以根據實際情況進行選擇，本文選取振蕩幅度調制算法來計算機場低壓電流輸入輸出幅值，振蕩幅度調制算法是一種通過對電流信號進行調制和解調，來推算電流幅值的方法，提升PLC芯片的控制性能，實現功率增益分配均衡。在采集低壓供電系統電流數據時，利用電流采集芯片等數據采集裝置，并設置調諧回路信號表達式如下：

式中，Rs表示采集的高頻信號，Rr表示采集低頻信號；h1表示調諧信號，Msr表示調諧系數；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頻譜分量的增益分配，系統采用選頻濾波處理方法對接收信號進行處理。經過選頻濾波處理方法后，接收機振蕩起振，低壓電流輸入輸出的幅值表達式為：

式中，sV表示高頻電壓，cV表示干擾電壓信號，Z表示阻抗，最后的計算結果為機場低壓電流輸入輸出幅值。

2.2 控制直流電流越限與過調制限幅

機場低壓供電控制系統會把低壓電流輸入輸出幅值與預設的幅值范圍進行比較，以檢測電流是否越限，一旦檢測到電流越限，系統需要采用過調制限幅技術進行控制。過調制限幅技術是指在直流電流超出范圍時，通過改變脈沖寬度調制信號的占空比，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運行，同時避免出現電路短路或其他故障情況。首先，需要設置直流電流的上下限，以便在檢測到越限時能夠進行控制，即直流電流表達式為：

其次，設開關周期是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)，得到直流側電感的離散狀態方程為：

整理可得參考矢量幅值的表達式為：

當負載突變時，電流超過保護閡值觸發逆變器故障保護導致系統停機，供電系統可靠性降低。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時間段內，直流電流參考值idcref小于最大值idcrefmax時，變流器工作在電壓控制模式。而t1時刻，因為負荷突然變大，直流電流參考值idcref達到了最大值，逆變器進入電流控制模式。到t2時刻負載變小，逆變器穿越了短時過載，重新恢復電壓控制模式。最后系統采用PID控制算法進行反饋控制，實時監測和調整直流電流的輸出，以確保在任何時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調制限幅，保證系統的穩定性和可靠性。

2.3 實現機場低壓供電自動化控制

當用戶通過控制系統的顯示界面選擇所需的功能時，系統會自動觸發相關的控制功能，并通過控制界面向用戶顯示所需的控制結果。當檢測出現系統出現故障情況，可編程控制器會自動停止系統運作，并將故障類型寫人報警信息表，以便后續對故障進行處理，PID可以通過設定參數及反饋信息實現對流量的調節，PID輸入輸出關系式為：其中Kp為比例系數，1T為積分時間常數，DT為微分時間常數。

假設采樣周期為T，系統開始運行時刻為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，T為采樣周期，e(n)第n次采樣時的誤差值，KI為積分常數，KD為微分系數。至此我們基于PLC完成實現了對機場低壓供電設施進行智能控制，從而對機場場內各種電力設備的精準控制，保證機場正常運行。

3 系統性能測試

3.1 搭建測試平臺

為了驗證所設計系統對低壓供電的控制性能具有一定的有效性，需要設計系統性能測試實驗，我們將該系統應用于某機場的低壓供電系統中，并成功搭建的基于PLC的低壓供電控制系統實驗平臺，設定該機場監控系統監測和控制的電路數量是500個，設備數量是200個，并將其用于與傳統的低壓供電控制系統進行對比。實驗測試平臺如圖4所示。

圖4 實驗測試平臺

3.2 實驗結果與分析

由本文基于PLC所設計的機場低壓供電控制系統監控低壓供電系統中供電線路的節點電流變化結果如圖5所示。

圖5 供電線路節點電流監控結果

根據圖5的結果，可以看出本文基于PLC所設計的機場低壓供電控制系統可以實時控制低壓供電控制系統中各個供電線路的節點電流情況，當出現故障或異常情況時，工作人員可以迅速通過監測節點電流的變化狀態快速確定低壓供電控制系統的故障點，及時解決問題，從而提高低壓供電控制系統的可靠性，并能夠隨時了解低壓供電供電線路的運行狀態，從而判斷低壓供電控制系統是否穩定，提高低壓供電控制系統的安全性。此外，根據圖6的系統側試結果顯示，該系統可以有效控制低壓供電網絡的電壓波動狀態。與傳統的低壓供電控制系統相比，該系統可以有效改善電壓波動情況，提升低壓供電系統的供電質量。該系統的自動化監控功能可以實時監測設備和線路的運行狀態，當運行參數異常或數值偏高時，系統將自動報警。因此，該系統的自動化監控功能可以提高低壓供電系統的運行可靠性和安全性，減少電力供應中斷的風險。

圖6 電壓波動兩系統控制結果對比

4 結語

隨著電力自動化控制技術的不斷發展，基于PLC的機場低壓供電控制系統已經成為一種越來越受歡迎的解決方案。本文重點介紹了該系統硬件和軟件兩方面的設計架構，包括數據采集和分析、供電控制通訊模塊、測試平臺搭建以及實現機場低壓供電自動化控制等方面的內容。雖然該系統在成本等方面可能會有一定的挑戰，但是它的智能化、可靠性和可擴展性等方面的優勢可以帶來長期的效益和價值。在未來的研究中，可以進一步探索如何將該系統應用到更廣泛的場景中，以滿足不斷變化的需求和挑戰。