基于PLC的電源終端控制設(shè)計(jì)

張凱，杜云

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動(dòng)式設(shè)備至關(guān)重要。通過降低組件閑置時(shí)的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，航空，國防，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

本次研究的主要目的是通過控制電路的合理工作，實(shí)現(xiàn)提高電源20%的有效利用率。對于電路控制系統(tǒng)來說，控制模塊主要任務(wù)是根據(jù)指令穩(wěn)定可靠地控制電源運(yùn)行。此外，控制模塊擔(dān)負(fù)著供電任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)任務(wù)。盡量采用成熟的技術(shù)和器件，確保質(zhì)量和進(jìn)度。適當(dāng)采用新技術(shù)，新器件，提高可靠性。

1 終端控制原理

1.1 指導(dǎo)思想

電源控制是按照預(yù)定順序改變主電路和控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。電動(dòng)百葉窗，它由窗框，電機(jī)，控制器，轉(zhuǎn)動(dòng)片，玻璃夾，玻璃片組成，電機(jī)及控制器裝在窗框上；長軸穿在窗框上，短軸穿過轉(zhuǎn)動(dòng)片與連接片的一端連接，連接片的另一端連接電機(jī)的偏心軸；玻璃片夾在玻璃夾中。具有結(jié)構(gòu)新穎，采光效果好，式樣美觀，開啟關(guān)閉方便自如等優(yōu)點(diǎn)；由于沒有窗扇及窗柱，故可節(jié)約材料、改善采光；在玻璃片上可繪制圖案，作室內(nèi)裝飾用。特別適合賓館、辦公、商場及家庭使用。

1.2 方案選擇

以PLC可編程器為核心部件，首先完全滿足任務(wù)書提出的控制邏輯與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的要求，其次方案顯得十分簡單。

1.3 方案特點(diǎn)

PLC以微處理器為核心，將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)融為一體，目前已得到廣泛應(yīng)用的自動(dòng)控制裝置。它不僅具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。由于采用以PLC為核心部件，不僅使方案變得十分簡單，而且提高了設(shè)備的可靠性。前面板示意圖如圖1所示。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

圖1 終端控制單元前面板示意圖Fig.1 Terminal control unit front panel schematic diagram

搞好電磁兼容設(shè)計(jì)是保證分機(jī)各項(xiàng)指針和功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。我們在電磁兼容設(shè)計(jì)上重點(diǎn)采取以下幾項(xiàng)措施。

2.1 電源隔離、屏蔽、濾波

驅(qū)動(dòng)功率取自三相動(dòng)力電源。在三相動(dòng)力電源與整流裝置之間采用變壓器隔離。在變壓器的設(shè)計(jì)上采取一次繞組和二次繞組之間加一層銅膜板屏蔽，可直接消除一次繞組和二次繞組之間的靜電耦合。為防止電源干擾使用電源濾波器EMI，這種濾波器使電源頻率通過，對0.1 MHz～10 GHz的干擾，衰減大于 100 dB[1]。

2.2 信號(hào)隔離、屏蔽

ACU與驅(qū)動(dòng)柜的控制控制命令和狀態(tài)，輸入輸出均采用光電隔離。模擬控制信號(hào)（測速機(jī)信號(hào)、速度指令信號(hào)）選用屏蔽線聯(lián)接，速度指令信號(hào)采用差分放大器接口電路，以消除同相分量的干擾。

2.3 瞬態(tài)電壓抑制

對所選的直流繼電器、直流接觸器、直流制動(dòng)器，當(dāng)電源的接通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)電壓，這種瞬態(tài)電壓也是一種干擾源，抑制瞬態(tài)電壓加裝二極管抑制電路或阻容吸收電路。

2.4 接地設(shè)計(jì)

接地設(shè)計(jì)的基本目的是消除各支路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，避免受磁場和地電位差的影響。在電源分機(jī)電子設(shè)備中有數(shù)字地，模擬地，功率地，弱信號(hào)地。除按信號(hào)電平的大小接入分開的地線外，對各種電源以及繼電器，接觸器，開關(guān)電路，電動(dòng)機(jī)等噪聲電平較高的部件和控制電路均應(yīng)引出各自獨(dú)立的地線、分組并聯(lián)單點(diǎn)接地。為使各類信號(hào)自成回路，減少共阻抗耦合，系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間或系統(tǒng)內(nèi)部都采用把大電流回路與信號(hào)回路隔開[2]。數(shù)字地和模擬地要避免有公共回路。A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等芯片均提供了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地的引腳，應(yīng)將所有芯片的模擬地和數(shù)字地引腳分別相連，而其公共點(diǎn)僅在一點(diǎn)相接，該公共點(diǎn)盡量靠近信號(hào)源。

3 可靠性設(shè)計(jì)

3.1 可靠性指標(biāo)分配

可靠性數(shù)學(xué)模型

λi為各單元的失效率

系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間：MTBF=1/λ

系統(tǒng)可靠度R=e-λt

電源分機(jī)的可靠性指標(biāo)要求為：MTBF=1 200 h

電源分機(jī)由控制臺(tái)（ACU、誤差顯示器、電源）、電源驅(qū)動(dòng)（ADU、變壓器、馬達(dá)）、保護(hù)開關(guān)等?？煽啃苑峙渚褪前逊謾C(jī)可靠性指針合理地分配給電源系統(tǒng)的三個(gè)組成部分[3]。

可靠性模型

圖2 可靠性模型Fig.2 The reliability model

其中，A1為 ACU；A2為 ADU；A3為電源座。

分機(jī)失效率

λ=λ1+λ2+λ3

=（177.6+362+257）×10-6/H

=796.6×10-6/H

平均無故障時(shí)間

MTBF=1/λ=1 211.3 h

3.2 可靠性保證措施

根據(jù)分機(jī)可靠性指標(biāo)要求，我們對分機(jī)各單元進(jìn)行了可靠性指標(biāo)分配和預(yù)計(jì)，同時(shí)對同類工程可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，數(shù)據(jù)表明本分機(jī)可靠性指標(biāo)要求較高。為了實(shí)現(xiàn)可靠性目標(biāo)，必須全面加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)[4]。

3.3 正確選用元器件

正確地，合理地選用元器件是可靠性設(shè)計(jì)措施之一。在電源中關(guān)鍵組件選用進(jìn)口產(chǎn)品，如可控硅放大器、電機(jī)、可編程控制器PLC、計(jì)算機(jī)主板、硬盤功能接口板。以上組件經(jīng)過工程使用證明集成度高、可靠性好，有利于提高整機(jī)的可靠性指標(biāo)。

3.4 降額設(shè)計(jì)

在元器件和組件參數(shù)選取時(shí)，采用降額設(shè)計(jì)。

3.5 儲(chǔ)備設(shè)計(jì)

當(dāng)元器件的可靠性水平不能滿足系統(tǒng)對它要求時(shí)儲(chǔ)備設(shè)計(jì)是提高可靠性的有效措施。

3.6 熱設(shè)計(jì)

電子元器件性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度的升高會(huì)使其失效率增加[5]。采用熱設(shè)計(jì)技術(shù)，控制環(huán)境溫度，減小元器件承受的熱應(yīng)力，提高可靠性。熱設(shè)計(jì)措施有：

1）合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。

2）合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。

3）采用高效能元件、電路、減小發(fā)熱量。

4）充分利用機(jī)殼進(jìn)行散熱。

3.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

1）正確設(shè)計(jì)接地回路。

2）大電流、弱信號(hào)的隔離、屏蔽。

3）過電壓抑制。

3.8 維修性設(shè)計(jì)

維修性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)同等重要。良好的維修能補(bǔ)充產(chǎn)品可靠性的不足，提高產(chǎn)品的可用性。

維修性設(shè)計(jì)是從可測性、可達(dá)性和可更換性等方面來保證維修的準(zhǔn)確、迅速、安全、可靠。

3.9 故障診斷設(shè)計(jì)

ADU單元每個(gè)可控硅放大器內(nèi)部設(shè)置有關(guān)鍵測試點(diǎn)（如電流反饋、電流整定、測速反饋）。關(guān)鍵保護(hù)狀態(tài)指示（如電源缺相、過載、測速機(jī)信號(hào)丟失）。每個(gè)驅(qū)動(dòng)支路的狀態(tài)邏輯電路完成全支路的狀態(tài)檢測和故障連鎖指示。狀態(tài)邏輯的檢測狀態(tài)有：天線開關(guān)狀態(tài)、馬達(dá)過熱狀態(tài)、可控硅放大器工作狀態(tài)、直流電源狀態(tài)、主交流接觸器狀態(tài)[6]。各狀態(tài)有LED指示燈顯示，狀態(tài)邏輯根據(jù)輸入狀態(tài)進(jìn)行邏輯編程實(shí)現(xiàn)故障連鎖。當(dāng)以上狀態(tài)發(fā)生變化，影響系統(tǒng)正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)柜面板故障指示燈點(diǎn)亮并閃爍。操作手和維修人員根據(jù)狀態(tài)指示燈可迅速查明故障點(diǎn)。ACU設(shè)計(jì)有自動(dòng)巡檢界面，自檢結(jié)果在界面顯示。

3.1 0 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

ADU結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)首先以操作人員使用和維護(hù)的安全、方便為目的。驅(qū)動(dòng)柜、配電柜強(qiáng)電部分的導(dǎo)線有顏色區(qū)分，接頭不裸露、加防護(hù)、并有高壓提示。驅(qū)動(dòng)柜操作開關(guān)、指示燈、監(jiān)視表頭布置在面板水平視線的前方，并與強(qiáng)電器件距離隔離，保證操作和維護(hù)人員的安全。

電源控制器包括電源變換電路、微控制器 （單片機(jī)orDSPor其他處理器）和信號(hào)輸入輸出電路，控制器內(nèi)存貯有控制器的工作程序，它能準(zhǔn)確地控制、通過檢測直流電機(jī)的位置傳感器，對電機(jī)進(jìn)行有效控制（如電機(jī)啟動(dòng)停止、轉(zhuǎn)速控制、方向控制、位移控制）控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、有效保護(hù)電機(jī)，解決了無法對電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制不準(zhǔn)確、保護(hù)不可靠的技術(shù)問題[7]。

4 結(jié)束語

作為專門為IDC、ISP、企事業(yè)單位數(shù)據(jù)中心或設(shè)備控制中心及其遠(yuǎn)程基點(diǎn)而設(shè)計(jì)的工業(yè)級智能電源分配控制單元，它集機(jī)房配電、過載保護(hù)、隔離、接地、監(jiān)測、管理于一體，能顯著提升機(jī)房供電系統(tǒng)的安全性。與傳統(tǒng)的電源分配單元相比，傲視恒安的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)能提供網(wǎng)絡(luò)管理接口，不再是單一的導(dǎo)電和控電產(chǎn)品，而是可以提供智能化電源管理的新一代智能電源分配管理系統(tǒng)。它不僅能夠給設(shè)備供電，而且兼?zhèn)鋽嚅_、連接、查詢、監(jiān)測、備案、智能管理等強(qiáng)大功能，可以輕松幫助用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開/關(guān)/重啟操作，減少維護(hù)工作量，增加網(wǎng)絡(luò)的可管理性，彌補(bǔ)了網(wǎng)管軟件所不能涉及的電源管理部分。

通過對電源的合理分配，可實(shí)現(xiàn)利用率20%的提高。電源控制電路分本控、遠(yuǎn)控兩種工作方式。在本控工作方式下，通過面板控制開關(guān)切換終端方式。到位后，狀態(tài)信息返回，分別送往終端控制單元前面板顯示、以及監(jiān)控微機(jī)。在遠(yuǎn)控工作方式下，面板控制鍵均無效，終端開關(guān)的切換由監(jiān)控微機(jī)遠(yuǎn)控命令來控制完成。電源控制電路一般應(yīng)用在多媒體會(huì)議室、電化教室、監(jiān)控及指揮中心，新聞發(fā)布室等環(huán)境控制。

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