基于PLC技術的節能環保型電氣控制系統設計研究

魏振生 朱云茂 王鑫 楊翔

摘要：隨著環境問題的日益嚴重，國家越來越重視環保節能產業的發展。在當今各個領域，電氣控制技術有著大量的應用，現代電氣控制系統可以實現監控、測量和保護功能。電氣控制系統稱為電氣設備的二次控制回路。多個電氣元件的組合，用于控制一個或多個對象，以保證被控制設備的安全可靠運行。主要功能包括自動控制、保護、監視和測量。許多學者對電氣控制系統進行了大量的研究。

關鍵詞：PLC技術;節能環保型;電氣控制;系統設計

當前，隨著我國國民經濟的快速發展，各行各業都取得了令人矚目的成就。在此背景下，我國電氣自動化設備的使用也在不斷推廣，電氣自動化領域的發展一直是我國高度重視的。近年來，隨著我國現代化建設的快速發展，我國許多行業的生產企業越來越重視節能，這對電氣自動化設備的節能效率提出了更高的要求。PLC變頻節能技術有效降低了電氣自動化設備的能耗。PLC變頻節能技術有著廣泛的應用，可用于建筑電氣、工業生產等設備。PLC變頻節能技術的基本原理是利用半導體器件有效地控制電氣設備工頻電流信號的變化。同時，設備的控制還可以將工頻電流信號轉換成直流電，從而有效地降低設備之間的能量損耗。通過這種方式，可以通過調節電流和設備的功耗來進一步控制設備的功耗。一般來說，應用PLC變頻節能技術不僅可以使電氣設備自動化有效運行，而且可以降低不必要的能耗。因此，應用PLC變頻節能技術可以有效提高電氣設備的使用效率。

1基于PLC技術的節能環保型電氣控制系統硬件設計

1.1處理器設計

處理器設計目的是為系統提供接收與發送電氣控制系統信息的功能，選擇某公司生產的混合信號處理器MSP462H8SO1，MSP462H8SO1。

該處理器能夠同時模擬信號和數字信號，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，處理器片上外設豐富，其中包含3個定時器，并支持UART、SPI串口通信，模數轉換器為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等內部中斷。

在此基礎上，對MSP462H8SO1的最小系統設計，使用可靠性與抗干擾性較高的看門狗復位電路，采用集成電路芯片IOSEF-8458實現，該芯片手動復位功能和推晚式復位信號輸出功能。

1.2電源設計

當主控系統故障時，主電源和備用電源不能正常工作。

主電源電路設計：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顯示的相關參數和輸出接點信號，為主控芯片和液晶顯示器供電。

1.3控制器設計

在以上處理器設計和電源設計的基礎上，以S7-200plc作為整個系統的核心。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。同時，S7-200plc包含52個I/O引腳，可作為開關量、脈沖和模擬量的輸入。

S7-200plc控制器具有體積小、速度快、標準化等特點，具有一定的網絡通信能力。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，可根據系統的控制要求改變系統功能，無需大量硬件接線電路。完成了系統的硬件設計，為節能環保電氣控制系統的設計提供了依據。

2基于PLC技術的節能環保型電氣控制系統軟件實現

在上述對節能環保型電氣控制系統硬件設計的基礎上，對節能環保型電氣控制系統軟件設計。此次設計目的是解決傳統電氣控制系統能耗大的問題，因此對電氣控制系統優化設計，從兩方面完成優化，一是保證系統穩定性，二是設置報警機制，通過對PLC中的軟件編程，將PLC本身與軟件功能集合，以保證系統的穩定性。通過上述公式計算能夠得到系統參數與性能之間的關系，在實際操作中，只需調節K值這個參數就能夠完成系統穩定性能的優化。在此基礎上，設置報警機制，系統主要由硬件對電氣控制與監控，但不具有自動報警功能，因此設置警戒值。

根據上述計算能夠在電氣控制中產生的故障問題進行自動報警，能夠科學保障配電系統的運行安全，精確計算電能，有效控制耗電量，以滿足系統節能環保需求。為證明上述設計的有效性，將在下一步進行實驗。

3實驗

實驗以某冶金電氣設備為實驗對象，在實驗之前初始化實驗設備，分別應用文獻方法和文獻方法與此次設計的系統方法對設備控制，對比5天內三種系統的運行情況。

并采用KIU-45I軟件，對實驗時產生的數據全面收集，并收集設備運行時的相關信息，包括設備運行利用率、各種事件的觸發時間以及相關變量變化等，實驗監控終端的作用是記錄實驗產生的信息，并將實驗信息以曲線的形式展現出來，圖中服務器主要為實驗提供通信功能。為了準確測量設計系統方法的運行效率，需要在實驗平臺上進行仿真研究，其具體操作流程如下：1）將節能環保型電氣控制系統實驗中的全部場景依次轉換為可控粒子數據;2）配置對應的參數，同時對粒子群數據進行初始化處理，同時將粒子的速度設定為0;3）通過PLC技術阻止全部場景;4）通過對應的計算公式更新粒子數據個體的最優位置。

結論

針對傳統的節能環保型電氣控制系統能耗高的問題，設計一種基于PLC技術的節能環保型電氣控制系統。從系統硬件設計與系統軟件設計兩方面完成了系統的設計，系統硬件部分以PLC技術為系統的核心功能，主要包括處理器、控制器與電源設計，系統的軟件部分保證系統的穩定運行，并設置臨界值，如果系統出現故障，則自動觸發報警機制，以有效控制耗電量，以此實現基于PLC技術的節能環保型電氣控制系統。本次設計的節能環保型電氣控制系統的創新點是：（1）是利用PLC技術實現設計;（2）是提出主控電源與備用電源的切換原理。實驗對比結果表明，此次設計的系統比其他方法設計的系統能耗低，滿足了節能環保型電氣控制系統的設計需求，對實現能源節約，具有一定的實際應用意義。

參考文獻：

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

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