自動化控制中弱電控制強電的方式之研究

王娜　王安航

摘 要：隨著我國自動化技術不斷發展，在電氣自動化控制系統中，弱電控制強電的作用十分明顯，包括便于操作、容易控制、安全性較高，因此在自動化控制系統中的應用十分廣泛?；诖?，本文首先提出弱電和強電的定義，并結合案例探究自動化控制中弱電控制強電的方式。

關鍵詞：自動化控制;弱電;強電;控制方式;發展現狀

在自動化控制系統運行中，科學利用弱電的控制性十分重要，其不僅能夠利用零散的技術方式實現強電控制，還有助于提高系統的自動化水平，提高弱電控制強電的運行效率，最大程度上減少弱電控制強電的危險性。自動化控制系統主要是應用電氣控制，而弱電控制主要是應用OPC的開放性平臺，關注日常技術操作優化，結合電氣控制技術進行多樣化操作。如PLC技術可以實現多樣化操作，可以根據生產標準進行編程，從生產出多類產品。在編程當中，利用PLC系統中各類技術差異，為自動化系統弱電控制強電創造了優越條件，提出了新的標準電氣接口。再者，標準化電氣接口也促進了標準化操作規范，可以進一步對自動化平臺優化，采用計算機技術，利用雙向傳輸方案完成總線布置，總線系統方面構建電纜、遠程控制串聯機制，這樣就可以顯示弱電控制強電的信息。

1 相關概念闡述

1.1 弱電與強電

在自動化控制領域當中，系統中分為弱電和強電。其中，強電電壓通常在220V以上，主要是電氣設備用電，具有電壓高、工作電流大、功率大、工作頻率低等特點;弱電電壓通常小于36V，一般是指傳輸、交換信息的電信號[1]。弱電作為一種相對安全的電壓，相比強電具有更廣泛的應用領域。如智能手機就是采用弱電電壓。弱電具有使用電壓小、工作電流低、功率小、工作頻率高等特點。也正是弱電的這些特點，讓弱電的使用變得更加簡單，再加上弱電工作電壓低，使用時的安全性更高。這也是利用弱電控制相對危險強電的好處之一。

1.2 弱電控制系統

弱電控制系統采用自動化技術，其中的核心是單片機，負責控制整個弱電控制系統的運行。在整個弱電控制系統當中，主要包括銜接單片機、可控硅、光電耦合器等元器件，從而實現弱電控制強電功能。如在控制水溫中可以采用較為靈敏的弱電單片機形式對高壓電進水溫度進行控制，并且實踐應用中控制效果也非常理想。

自動化控制當中，弱電控制強電當中通過單片機達到傳感互動目標。單片機本身就帶有高度敏感特征，因此可以對一些實時動態情況進行有效監控，一旦出現情況可以立即做出反應，如可以明確判斷弱電控制元器件的溫度、電流強度，或是利用時鐘和復位電路提升單片機的運轉效率。在實際應用中，要可以正確的選擇電路形式，這樣可以有效提升弱電控制強電的效率。

在電路種類選擇方面，弱電控制強電對電路種類要求非常高。如在加熱電路建設當中，需要單片機基極和三極管發射極串聯5V電源，這樣才能夠確保光電耦合器、采集信息同步傳遞到同一個腳接地部位，確保溫感器溫度達到一定程度時更好的將信號傳遞到單片機當中，這樣單片機在輸出較低電瓶中停止加熱。

2 案例應用介紹

某動車組占空比為50%，尾燈部位在獨立尾燈閃爍控制電路。在整個自動化電路系統當中，列車控制系統TCMS可以每隔0.5s時間發送一次固態繼電器（SSR）控制信號，在光電轉換完成之后，有效在SSR晶體管中導通，系統中可以實現兩個尾燈供電電路導通，尾燈的電量時間持續0.5s。此時TCMS控制信號自動斷開，SSR處于失電狀態，尾燈的供電電路斷開，尾燈熄滅[2]。通過該邏輯循環操作運行，就形成了尾燈閃爍效果。該設計方案可以延長SSR使用年限，確保運行頻率、瞬時響應速度滿足標準，相比普通的設計方案安全可靠性更強、響應速度更快，有效延長了維護間隔時間，保證了自動化系統的運行效益。

在整個尾燈自動化控制系統當中，通常是用一個信號控制各干接點通短實現強電控制。本案例控制系統中，主要是采用了繼電器、可控硅、SSR實現控制。結合整個系統的運行功率大小、是否感性負載等選擇電路。尾燈電路要考慮光耦隔離、電平控制等。整個自動控控制系統可以分為檢測系統、控制系統、伺服系統以及輔助系統構成。其中，控制系統用于自動化控制系統的運算、管理、控制，通過輸入介質得出相關數據，對這些數據進行轉碼、分析并作用于控制系統;伺服系統是根據控制系統指令下達操作命令，讓控制系統可以按照系統設定標準規定運動;檢測系統主要是測試電氣設備的運行變量，并將所檢測的數據信息傳輸到輸入端，和輸入指令進行對比，PLC根據對比差別調整操作參數。通過以上多個系統共同加強弱電控制強電的安全性，保證自動化控制系統正常運行。

3 自動化控制中弱電控制強電的實現方法

在上述案例設計中，由于列車對弱電控制強電的依賴性非常強，這也決定了列車電路系統自動控制的發展趨勢，同時在實際應用中還要重點考慮是否足夠安全，最終設計人員決定采用弱電控制強電的方案，從而提高環境、操作者的使用安全。在弱電控制強電中，需要先建設自動化平臺、進而加強弱電控制強電、最后完善整個自動化控制系統功能。其主要實現方法為：

3.1 自動化平臺建設

3.1.1 開放式平臺建設

自動化控制系統要有開放式平臺作為支撐，本案例中主要是應用了OPC平臺和Windows系統構建的弱電控制強電專業平臺，采用了列車專門的電氣控制技術，從而有效的達成了預期控制效果，構建了電氣自動化控制中弱電控制強電的開放環境。

3.1.2 IEC61131接口標準化

在過去，列車自動化控制系統采用PLC技術需要構建相應的標準，而全球PLC生產企業所生產的PLC系統內多大400多種，并且這些PLC產品由于編程方案不同，因此接口標準也存在著一定差異，想要實現全面兼容十分困難。在現在，IEC61131接口標準化機制提出后，有效解除了接口差異問題，國內外大部分PLC廠商均采用IEC61131接口標準[3]。本案例的自動化系統設計中，采用了最新的PLC技術，也同時采用了IEC61131標準接口，實現了自動化控制功能的擴充，通過采用可以連接該接口的設備，即可實現相應的自動化操作功能，并且也可以實現弱電控制強電。

3.1.3 Windows標準平臺建設

在案例自動化控制系統設計中，采用了微軟的電氣自動化控制的Windows運行機制。該運行機制不僅應用范圍廣泛，同時能夠實現的功能非常多，不僅可以實現自動化控制，還可以融合傳感技術、網絡技術實現實時監控和數據采集分析。整個Windows標準化建設平臺中，以人工智能技術為基礎，構建人機交互界面，簡化了Windows系統操作流程，融合并集成了操作平臺和辦公平臺[4]。通過將這些技術集成，可以有效控制列車自動化控制系統中弱電控制強電的效能。

3.1.4 現場總線與控制系統

案例中將電氣自動化技術應用到現場總線與控制系統當中，在自動化系統雙向傳輸設備中連接現場總線，通過連接串行總線和總線結構，實現了PLC系統、CPU核心、遠程I/O站與串行電纜連接，進一步提升了系統的繼承性能，有效連接智能儀表、低壓斷路器，可以有效采集列車尾燈運行信息，并傳輸到控制器中，完成整個系統的尾燈自動控制操作流程。

3.2 弱電控制強電方法

案例中的弱電控制強電主要是通過單片機加上SSR組合的控制方法，這樣不僅可以實現自動化控制，同時也能夠保證整個系統的運行安全。其主要表現在：

3.2.1 單片機控制

單片機作為弱電控制強電的主要方法，而單片機也是實現自動化控制的必然設備，具有抗干擾能力強、體積小、重量小等特點。在列車尾燈控制系統設計中，主要是利用傳感器設備，在能夠有效測量車輛轉速、系統電流、設備電壓、運行溫度、環境濕度的基礎上，有效傳輸信號數據，單片機負責接收和處理這些采集數據信息，并將系統判定結果下發，實現尾燈控制。在整個運行過程中，整個自動化控制系統中設置尾燈閃爍間隔為0.5s，通過采集最新信號與設定標準進行對比，判斷車輛尾燈閃爍頻率是否達到了0.5s，并根據對比結果做出結論，并下達自動控制指令。在通過單片機實現弱電控制強電時，系統運行慣性可以在溫度、液體的運行數據被反映，所以必須要在明確掌握此類問題的基礎上，全面提升控制方法的合理性。

3.2.2 固態繼電器控制

案例車組的電氣控制系統中，主要是采用了固態繼電器SSR進行控制，該無觸點開關組成部分主要是涵蓋了電力電子功率器件、微電子電路、分立電子器件，主要負責隔離控制端、負載端，SSR可以有效保證弱電控制強電的安全性?？刂菩盘柵c固態繼電器輸入端較小，可以對大電流負載進行直接驅動，并且在應用固態繼電器中，還可以簡化傳統繼電器的操作流程，進一步提高了控制系統的運行效率、減少了各類限制性因素。通過對SSR分析可知，作為一種半導體元件，其主要特點就是無觸點，擁有較低的輸入控制電壓，可以配合單片機使用。在輸入、輸出過程中，為了保障弱電控制強電效果，系統采用了光電隔離固態繼電器，并擁有超過了2000V隔離絕緣，確保高壓電路始終處于安全運行狀態。案例中列車自動化控制系統應用SSR，在實際運行中表現出運行時間長、噪聲小、反應靈敏、輸入與輸出高于2500V絕緣電壓，可以有效滿足列車自動化控制系統的安全運行要求[5]。此外，在案例列車自動化控制系統設計中，還要注意的事項包括：（1）散熱設計。由于列車的運行速度快、運行環境惡劣，電氣設備溫度、運行環境會對SSR負載能力造成很大影響，在實際設計當中通過利用散熱片，確保設備運行空間充足，系統中還設置了風扇，可以強制性散熱，如果強制散熱依然無法降低溫度，則自動化系統會自動降頻運行。（2）主流在通過SSR后，會產生壓降現象，低壓選型過程中，結合列車自動化控制系統運行壓降做好低壓設備選型，保證二者相匹配。（3）SSR實際應用中會產生部分漏電流，在實際運行中一旦功率負載較小，則SSR控制系統可以確保負載不會受到熱點劉影響，處于可控狀態。

3.3 弱電控制強電的功能完善

3.3.1 系統內部形成電路

列車自動化控制系統在設計當中，為了能夠進一步提高運行安全性和有效性，從電源方面進行了進一步完善。電源部分是由穩壓管、整流橋、電容、變壓器組成。在自動化控制系統正常運行當中，電源可以提供相對平穩的電壓，其內部的交流電、直流電正常相互轉化。在此過程中，單片機的運行電壓趨于穩定。系統運行中整流橋負責電壓轉化任務，并發揮電容濾波、穩壓管的作用，有效抑制了直流電壓，這樣所獲取的電壓則更加穩定。為了能夠發揮單片機作用，列車自動化系統中加入了溫控元件，可以實時獲取傳感器采集的運行溫度數據，單片機收集數據可以及時反饋信息。

此外，自動化系統中還設置了一些其他的類型元件，如RISC元件，可以直接處理各類的模擬信號，從而實現自動化控制目的。系統中單片機中可以發揮模數轉換功能的多通道裝置，能夠有效調制系統運行參數，輸出多個脈沖寬度。再者，單片機中還設置了喚醒功能、暫停功能，可以有效對A/D系統進行處理，實現低功耗、高性能的目標，并加強整個系統的集成性[6]。

3.3.2 測溫和電路加熱

單片機與溫感器、定值電阻連接，并構建測溫所需的分壓電路，實現測溫功能。在動態變化當中，傳感器是非常重要的設備，可以檢測到電壓變化規律、阻值變化規律。單片機還可以實現系統分壓測試功能，對加熱過程是否達標進行有效判定。單片機和三極管相互連接，用于對加熱電路控制，讓整個PLC系統可以正常運行[7]。

列車尾燈控制系統以上述設計為前提，并增設了光電耦合器MOC3023、可控硅BTA16，構成更加完整的自動化控制系統，加強整個系統控制。三極管直接和5V弱電系統連接，同時連接到發光二極管上，構成了整個尾燈的基本電路模式。光電耦合器在實際運行中會持續輸出信號，可控硅也可以在較短的時間進入到正常運行狀態。可控硅的陰極、陽極可以控制加熱器元件PTC加熱，在溫度達到了一定標準之后，溫感器可以將信號傳輸給單片機，單片機1腳輸出低電平，讓加熱部分停止工作，反復如此即可實現保持恒溫。

4 自動化控制中弱電控制強電的發展方向

隨著我國科學技術不斷發展，在很大程度上推動了我國控制系統自動化建設水平，如今多功能單元電力系統已經逐漸取代了傳統的單一控制模式，多線監控在很大程度上也取替了單項監控。但是弱電控制強電方案依然不夠成熟，包括控制網絡結構通用性差、程序接口標準有待進一步統一等。本文認為，未來弱電控制強電的發展方向表現在以下兩個方面：

4.1 控制網絡結構通用化

為了能夠保障自動化控制現場設備同時與企業管理保持通信暢通，需要構建一個通用的控制網絡結構。通用控制網絡結構可以進一步集成控制系統功能，讓整個系統不臃腫。通用控制網絡結構，能夠減少遠程監控設備的信號延遲，提高系統的整體運行效能，保證系統運行安全。因此，未來還需要進一步加強控制網絡結構的通用性，以通用的網絡結構實現弱電控制強電功能，這樣才能夠有效的減少網絡通信弊端。

4.2 標準化程序接口

雖然很多PLC廠商都開始使用IEC61131接口，從而更好的實現自動控制系統的運行功能。標準化接口不僅能夠降低自動控制系統建設時間，還可以降低整個系統的開發成本，便于自動化控制系統和監控系統間的信息轉化與共享。但從市場實際情況來看，市場中生產商的產品依然是多元化接口，部分硬件設備與IEC61131接口不匹配[8]。所以，未來要進一步確定PLC的接口標準，同時也要根據PLC標準接口實現接入設備接口的標準化，確?？梢猿浞职l揮自動控制系統的功能。

5 結語

綜上所述，自動化控制是電氣領域的重要發展趨勢，其中弱電控制強電是需要重點考慮的內容。在弱電控制強電過程中，通過構建自動化平臺、構建弱電控制強電系統、對現有系統進一步完善，可以有效實現自動化控制功能，同時保障弱電控制強電的安全性、穩定性。本文提出了列車尾燈弱電控制強電的自動化控制方案，在實際應用中可以保證尾燈運行的穩定性，并且可以實現自動化調控，能很好的滿足實際使用要求。

參考文獻：

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