基于PLC的機場低壓供電控制系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化研究

康奇圣

（泉州空港物業(yè)管理有限公司，福建 泉州 362200）

現(xiàn)代機場是一個大型的、復(fù)雜的系統(tǒng)，其中機場供電控制系統(tǒng)是保證航班正常運行的重要組成部分。傳統(tǒng)的機場低壓供電控制系統(tǒng)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(xiàn)安全事故。因此，為了保障機場的安全和可靠性，需要設(shè)計一種高效、精準、安全、可靠的機場低壓供電控制系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展和自動化控制技術(shù)的不斷成熟，基于PLC的機場低壓供電控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。PLC技術(shù)是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)之一。PLC具有可編程性強、功能豐富、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點，在機場低壓供電控制系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。因此，本文設(shè)計了基于PLC的機場低壓供電控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，并與傳統(tǒng)機場低壓供電控制系統(tǒng)進行對比，以此展示其優(yōu)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(fù)雜的應(yīng)用需求，為未來機場供電的發(fā)展提供新思路和新方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 PLC可編程邏輯控制芯片

在機場低壓供電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計中，PLC可編程邏輯控制芯片是核心部件之一。它主要負責(zé)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(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)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(chǎn)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(wěn)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(tǒng)，并安裝在該系統(tǒng)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(jié)構(gòu)圖

1.2 低壓電流數(shù)據(jù)采集器

低壓電流數(shù)據(jù)采集器負責(zé)對機場低壓供電系統(tǒng)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(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對機場低壓供電系統(tǒng)的精準控制和監(jiān)測。根據(jù)機場低壓供電系統(tǒng)的實際情況和控制要求，為了保證采集的電流數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)用于電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，并且它還是一種直流轉(zhuǎn)換器，可以精確地進行電流采集和實時數(shù)據(jù)傳輸，以獲得不同形式信號的精準電流數(shù)據(jù)采集結(jié)果，為低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控和控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.3 供電控制通訊模塊

供電控制通訊模塊負責(zé)將PLC控制器與其他外部設(shè)備進行通訊和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)機場低壓供電系統(tǒng)的全面控制和監(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和通訊要求，選擇合適的通訊協(xié)議，為了實現(xiàn)低壓供電控制系統(tǒng)中不同設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，本文選擇了Modbus總線協(xié)議作為低壓供電控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，通過Modbus協(xié)議，低壓供電控制系統(tǒng)中的不同設(shè)備可以進行雙向數(shù)據(jù)通信，并能夠快速、可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。同時，實現(xiàn)對低壓供電系統(tǒng)中的各種設(shè)備和控制器的遠程監(jiān)控和控制，并選擇客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)各供電裝置的通信結(jié)構(gòu)。通過利用客戶端的處理能力，減少控制系統(tǒng)的通信負擔(dān)，降低服務(wù)器的工作量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)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(jù)實際情況進行選擇，本文選取振蕩幅度調(diào)制算法來計算機場低壓電流輸入輸出幅值，振蕩幅度調(diào)制算法是一種通過對電流信號進行調(diào)制和解調(diào)，來推算電流幅值的方法，提升PLC芯片的控制性能，實現(xiàn)功率增益分配均衡。在采集低壓供電系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)時，利用電流采集芯片等數(shù)據(jù)采集裝置，并設(shè)置調(diào)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(diào)諧信號，Msr表示調(diào)諧系數(shù)；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(nèi)頻譜分量的增益分配，系統(tǒng)采用選頻濾波處理方法對接收信號進行處理。經(jīng)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(jié)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(diào)制限幅

機場低壓供電控制系統(tǒng)會把低壓電流輸入輸出幅值與預(yù)設(shè)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(tǒng)需要采用過調(diào)制限幅技術(shù)進行控制。過調(diào)制限幅技術(shù)是指在直流電流超出范圍時，通過改變脈沖寬度調(diào)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(nèi)運行，同時避免出現(xiàn)電路短路或其他故障情況。首先，需要設(shè)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(shè)開關(guān)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(cè)電感的離散狀態(tài)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(fā)逆變器故障保護導(dǎo)致系統(tǒng)停機，供電系統(tǒng)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(nèi)，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(fù)電壓控制模式。最后系統(tǒng)采用PID控制算法進行反饋控制，實時監(jiān)測和調(diào)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(diào)制限幅，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 實現(xiàn)機場低壓供電自動化控制

當用戶通過控制系統(tǒng)的顯示界面選擇所需的功能時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)相關(guān)的控制功能，并通過控制界面向用戶顯示所需的控制結(jié)果。當檢測出現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況，可編程控制器會自動停止系統(tǒng)運作，并將故障類型寫人報警信息表，以便后續(xù)對故障進行處理，PID可以通過設(shè)定參數(shù)及反饋信息實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)，PID輸入輸出關(guān)系式為：其中Kp為比例系數(shù)，1T為積分時間常數(shù)，DT為微分時間常數(shù)。

假設(shè)采樣周期為T，系統(tǒng)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(shù)，KD為微分系數(shù)。至此我們基于PLC完成實現(xiàn)了對機場低壓供電設(shè)施進行智能控制，從而對機場場內(nèi)各種電力設(shè)備的精準控制，保證機場正常運行。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 搭建測試平臺

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)對低壓供電的控制性能具有一定的有效性，需要設(shè)計系統(tǒng)性能測試實驗，我們將該系統(tǒng)應(yīng)用于某機場的低壓供電系統(tǒng)中，并成功搭建的基于PLC的低壓供電控制系統(tǒng)實驗平臺，設(shè)定該機場監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測和控制的電路數(shù)量是500個，設(shè)備數(shù)量是200個，并將其用于與傳統(tǒng)的低壓供電控制系統(tǒng)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(jié)果與分析

由本文基于PLC所設(shè)計的機場低壓供電控制系統(tǒng)監(jiān)控低壓供電系統(tǒng)中供電線路的節(jié)點電流變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 供電線路節(jié)點電流監(jiān)控結(jié)果

根據(jù)圖5的結(jié)果，可以看出本文基于PLC所設(shè)計的機場低壓供電控制系統(tǒng)可以實時控制低壓供電控制系統(tǒng)中各個供電線路的節(jié)點電流情況，當出現(xiàn)故障或異常情況時，工作人員可以迅速通過監(jiān)測節(jié)點電流的變化狀態(tài)快速確定低壓供電控制系統(tǒng)的故障點，及時解決問題，從而提高低壓供電控制系統(tǒng)的可靠性，并能夠隨時了解低壓供電供電線路的運行狀態(tài)，從而判斷低壓供電控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，提高低壓供電控制系統(tǒng)的安全性。此外，根據(jù)圖6的系統(tǒng)側(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以有效控制低壓供電網(wǎng)絡(luò)的電壓波動狀態(tài)。與傳統(tǒng)的低壓供電控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以有效改善電壓波動情況，提升低壓供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。該系統(tǒng)的自動化監(jiān)控功能可以實時監(jiān)測設(shè)備和線路的運行狀態(tài)，當運行參數(shù)異?；驍?shù)值偏高時，系統(tǒng)將自動報警。因此，該系統(tǒng)的自動化監(jiān)控功能可以提高低壓供電系統(tǒng)的運行可靠性和安全性，減少電力供應(yīng)中斷的風(fēng)險。

圖6 電壓波動兩系統(tǒng)控制結(jié)果對比

4 結(jié)語

隨著電力自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PLC的機場低壓供電控制系統(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)硬件和軟件兩方面的設(shè)計架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集和分析、供電控制通訊模塊、測試平臺搭建以及實現(xiàn)機場低壓供電自動化控制等方面的內(nèi)容。雖然該系統(tǒng)在成本等方面可能會有一定的挑戰(zhàn)，但是它的智能化、可靠性和可擴展性等方面的優(yōu)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(tǒng)應(yīng)用到更廣泛的場景中，以滿足不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。