基于PLC的电源终端控制设计

张凯，杜云

（陕西工业职业技术学院 信息工程学院，陕西 咸阳 712000）

电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，优秀的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称电源控制技术，它属于电力电子技术的范畴，是集电力变换，现代电子，网络组建，自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，现今已经广泛应用到工业，能源，交通，信息，航空，国防，教育，文化等诸多领域。

本次研究的主要目的是通过控制电路的合理工作，实现提高电源20%的有效利用率。对于电路控制系统来说，控制模块主要任务是根据指令稳定可靠地控制电源运行。此外，控制模块担负着供电任务、监控任务和实时统计任务。尽量采用成熟的技术和器件，确保质量和进度。适当采用新技术，新器件，提高可靠性。

1 终端控制原理

1.1 指导思想

电源控制是按照预定顺序改变主电路和控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。电动百叶窗，它由窗框，电机，控制器，转动片，玻璃夹，玻璃片组成，电机及控制器装在窗框上；长轴穿在窗框上，短轴穿过转动片与连接片的一端连接，连接片的另一端连接电机的偏心轴；玻璃片夹在玻璃夹中。具有结构新颖，采光效果好，式样美观，开启关闭方便自如等优点；由于没有窗扇及窗柱，故可节约材料、改善采光；在玻璃片上可绘制图案，作室内装饰用。特别适合宾馆、办公、商场及家庭使用。

1.2 方案选择

以PLC可编程器为核心部件，首先完全满足任务书提出的控制逻辑与监控计算机通信的要求，其次方案显得十分简单。

1.3 方案特点

PLC以微处理器为核心，将微型计算机技术、自动控制技术及网络通信技术有机融为一体，目前已得到广泛应用的自动控制装置。它不仅具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程方便、易于扩展等优点。由于采用以PLC为核心部件，不仅使方案变得十分简单，而且提高了设备的可靠性。前面板示意图如图1所示。

2 电磁兼容设计

图1 终端控制单元前面板示意图Fig.1 Terminal control unit front panel schematic diagram

搞好电磁兼容设计是保证分机各项指针和功能实现的基础。我们在电磁兼容设计上重点采取以下几项措施。

2.1 电源隔离、屏蔽、滤波

驱动功率取自三相动力电源。在三相动力电源与整流装置之间采用变压器隔离。在变压器的设计上采取一次绕组和二次绕组之间加一层铜膜板屏蔽，可直接消除一次绕组和二次绕组之间的静电耦合。为防止电源干扰使用电源滤波器EMI，这种滤波器使电源频率通过，对0.1 MHz～10 GHz的干扰，衰减大于 100 dB[1]。

2.2 信号隔离、屏蔽

ACU与驱动柜的控制控制命令和状态，输入输出均采用光电隔离。模拟控制信号（测速机信号、速度指令信号）选用屏蔽线联接，速度指令信号采用差分放大器接口电路，以消除同相分量的干扰。

2.3 瞬态电压抑制

对所选的直流继电器、直流接触器、直流制动器，当电源的接通和关断时产生很高的瞬态电压，这种瞬态电压也是一种干扰源，抑制瞬态电压加装二极管抑制电路或阻容吸收电路。

2.4 接地设计

接地设计的基本目的是消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，避免受磁场和地电位差的影响。在电源分机电子设备中有数字地，模拟地，功率地，弱信号地。除按信号电平的大小接入分开的地线外，对各种电源以及继电器，接触器，开关电路，电动机等噪声电平较高的部件和控制电路均应引出各自独立的地线、分组并联单点接地。为使各类信号自成回路，减少共阻抗耦合，系统与外围设备之间或系统内部都采用把大电流回路与信号回路隔开[2]。数字地和模拟地要避免有公共回路。A/D、D/A转换器等芯片均提供了独立的模拟地和数字地的引脚，应将所有芯片的模拟地和数字地引脚分别相连，而其公共点仅在一点相接，该公共点尽量靠近信号源。

3 可靠性设计

3.1 可靠性指标分配

可靠性数学模型

λi为各单元的失效率

系统平均无故障工作时间：MTBF=1/λ

系统可靠度R=e-λt

电源分机的可靠性指标要求为：MTBF=1 200 h

电源分机由控制台（ACU、误差显示器、电源）、电源驱动（ADU、变压器、马达）、保护开关等。可靠性分配就是把分机可靠性指针合理地分配给电源系统的三个组成部分[3]。

可靠性模型

图2 可靠性模型Fig.2 The reliability model

其中，A1为 ACU；A2为 ADU；A3为电源座。

分机失效率

λ=λ1+λ2+λ3

=（177.6+362+257）×10-6/H

=796.6×10-6/H

平均无故障时间

MTBF=1/λ=1 211.3 h

3.2 可靠性保证措施

根据分机可靠性指标要求，我们对分机各单元进行了可靠性指标分配和预计，同时对同类工程可靠性设计进行了比较，数据表明本分机可靠性指标要求较高。为了实现可靠性目标，必须全面加强可靠性设计[4]。

3.3 正确选用元器件

正确地，合理地选用元器件是可靠性设计措施之一。在电源中关键组件选用进口产品，如可控硅放大器、电机、可编程控制器PLC、计算机主板、硬盘功能接口板。以上组件经过工程使用证明集成度高、可靠性好，有利于提高整机的可靠性指标。

3.4 降额设计

在元器件和组件参数选取时，采用降额设计。

3.5 储备设计

当元器件的可靠性水平不能满足系统对它要求时储备设计是提高可靠性的有效措施。

3.6 热设计

电子元器件性能与环境温度密切相关，温度的升高会使其失效率增加[5]。采用热设计技术，控制环境温度，减小元器件承受的热应力，提高可靠性。热设计措施有：

1）合理进行结构布局设计。

2）合理设计风道，保持环境温度稳定。

3）采用高效能元件、电路、减小发热量。

4）充分利用机壳进行散热。

3.7 电磁兼容性设计

1）正确设计接地回路。

2）大电流、弱信号的隔离、屏蔽。

3）过电压抑制。

3.8 维修性设计

维修性设计和可靠性设计同等重要。良好的维修能补充产品可靠性的不足，提高产品的可用性。

维修性设计是从可测性、可达性和可更换性等方面来保证维修的准确、迅速、安全、可靠。

3.9 故障诊断设计

ADU单元每个可控硅放大器内部设置有关键测试点（如电流反馈、电流整定、测速反馈）。关键保护状态指示（如电源缺相、过载、测速机信号丢失）。每个驱动支路的状态逻辑电路完成全支路的状态检测和故障连锁指示。状态逻辑的检测状态有：天线开关状态、马达过热状态、可控硅放大器工作状态、直流电源状态、主交流接触器状态[6]。各状态有LED指示灯显示，状态逻辑根据输入状态进行逻辑编程实现故障连锁。当以上状态发生变化，影响系统正常工作时，驱动柜面板故障指示灯点亮并闪烁。操作手和维修人员根据状态指示灯可迅速查明故障点。ACU设计有自动巡检界面，自检结果在界面显示。

3.1 0 结构布局设计

ADU结构布局设计首先以操作人员使用和维护的安全、方便为目的。驱动柜、配电柜强电部分的导线有颜色区分，接头不裸露、加防护、并有高压提示。驱动柜操作开关、指示灯、监视表头布置在面板水平视线的前方，并与强电器件距离隔离，保证操作和维护人员的安全。

电源控制器包括电源变换电路、微控制器 （单片机orDSPor其他处理器）和信号输入输出电路，控制器内存贮有控制器的工作程序，它能准确地控制、通过检测直流电机的位置传感器，对电机进行有效控制（如电机启动停止、转速控制、方向控制、位移控制）控制进行动态实时监控、有效保护电机，解决了无法对电机进行动态实时监控，控制不准确、保护不可靠的技术问题[7]。

4 结束语

作为专门为IDC、ISP、企事业单位数据中心或设备控制中心及其远程基点而设计的工业级智能电源分配控制单元，它集机房配电、过载保护、隔离、接地、监测、管理于一体，能显著提升机房供电系统的安全性。与传统的电源分配单元相比，傲视恒安的远程网络电源控制系统能提供网络管理接口，不再是单一的导电和控电产品，而是可以提供智能化电源管理的新一代智能电源分配管理系统。它不仅能够给设备供电，而且兼备断开、连接、查询、监测、备案、智能管理等强大功能，可以轻松帮助用户实现远程开/关/重启操作，减少维护工作量，增加网络的可管理性，弥补了网管软件所不能涉及的电源管理部分。

通过对电源的合理分配，可实现利用率20%的提高。电源控制电路分本控、远控两种工作方式。在本控工作方式下，通过面板控制开关切换终端方式。到位后，状态信息返回，分别送往终端控制单元前面板显示、以及监控微机。在远控工作方式下，面板控制键均无效，终端开关的切换由监控微机远控命令来控制完成。电源控制电路一般应用在多媒体会议室、电化教室、监控及指挥中心，新闻发布室等环境控制。

[1]俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004（2）：1-3.YU Hai-zheng，FENG Hao.Electromagnetic compatibility technology and its application in the PCB design[J].Electronic Mechanical Engineering，2004（2）：1-3.

[2]刘洁.多模式开关电源控制器设计[D].西安科技大学2013.[3]刘明雨.多级电压电流混合补偿的跟踪电源研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[4]焦喜香，敬岚，乔为民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的数字电源系统的设计[J].核电子学与探测技术，2010（1）：71-74.JIAO Xi-xiang，JING Lan，QIAOWei-min，et al.The design of digital power system based on CPLD and ATMEGAL128[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2010（1）：71-74.

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