基于PLC技术的节能环保型电气控制系统设计研究

魏振生 朱云茂 王鑫 杨翔

摘要：随着环境问题的日益严重，国家越来越重视环保节能产业的发展。在当今各个领域，电气控制技术有着大量的应用，现代电气控制系统可以实现监控、测量和保护功能。电气控制系统称为电气设备的二次控制回路。多个电气元件的组合，用于控制一个或多个对象，以保证被控制设备的安全可靠运行。主要功能包括自动控制、保护、监视和测量。许多学者对电气控制系统进行了大量的研究。

关键词：PLC技术;节能环保型;电气控制;系统设计

当前，随着我国国民经济的快速发展，各行各业都取得了令人瞩目的成就。在此背景下，我国电气自动化设备的使用也在不断推广，电气自动化领域的发展一直是我国高度重视的。近年来，随着我国现代化建设的快速发展，我国许多行业的生产企业越来越重视节能，这对电气自动化设备的节能效率提出了更高的要求。PLC变频节能技术有效降低了电气自动化设备的能耗。PLC变频节能技术有着广泛的应用，可用于建筑电气、工业生产等设备。PLC变频节能技术的基本原理是利用半导体器件有效地控制电气设备工频电流信号的变化。同时，设备的控制还可以将工频电流信号转换成直流电，从而有效地降低设备之间的能量损耗。通过这种方式，可以通过调节电流和设备的功耗来进一步控制设备的功耗。一般来说，应用PLC变频节能技术不仅可以使电气设备自动化有效运行，而且可以降低不必要的能耗。因此，应用PLC变频节能技术可以有效提高电气设备的使用效率。

1基于PLC技术的节能环保型电气控制系统硬件设计

1.1处理器设计

处理器设计目的是为系统提供接收与发送电气控制系统信息的功能，选择某公司生产的混合信号处理器MSP462H8SO1，MSP462H8SO1。

该处理器能够同时模拟信号和数字信号，其主要特性如下所述：

第一，具有256kROM，16kRAM，精简指令集为16位，高达25MHz系统时钟，指令周期为40ns;第二，低电压供电即可;第三，该处理器中包含两个外部时钟和三个内部时钟;第四，功耗低，并具有快速唤醒功能;第五，处理器片上外设丰富，其中包含3个定时器，并支持UART、SPI串口通信，模数转换器为12位，硬件乘法器为32位，4个DMA通道;第六，具有中断功能，具有16个可屏蔽外部中断，定时器和ADC等内部中断。

在此基础上，对MSP462H8SO1的最小系统设计，使用可靠性与抗干扰性较高的看门狗复位电路，采用集成电路芯片IOSEF-8458实现，该芯片手动复位功能和推晚式复位信号输出功能。

1.2电源设计

当主控系统故障时，主电源和备用电源不能正常工作。

主电源电路设计：选用lk847集成电路，电路外围电路简单，只需4个外部元件，包括2个电解电容器、2个肖特基二极管和1个电感器，包括频率补偿和定频振荡器，具有热关机和限流保护功能仪表的主要功能是了解主电源切断后电气控制系统显示的相关参数和输出接点信号，为主控芯片和液晶显示器供电。

1.3控制器设计

在以上处理器设计和电源设计的基础上，以S7-200plc作为整个系统的核心。PLC的输出端直接与主控制信号、指示信号、报警信号连接。各种控制逻辑和时间控制在PLC中编程实现。同时，S7-200plc包含52个I/O引脚，可作为开关量、脉冲和模拟量的输入。

S7-200plc控制器具有体积小、速度快、标准化等特点，具有一定的网络通信能力。它具有高可靠性和通用性的特点。在确定PLC配置和I/O外部接线后，可根据系统的控制要求改变系统功能，无需大量硬件接线电路。完成了系统的硬件设计，为节能环保电气控制系统的设计提供了依据。

2基于PLC技术的节能环保型电气控制系统软件实现

在上述對节能环保型电气控制系统硬件设计的基础上，对节能环保型电气控制系统软件设计。此次设计目的是解决传统电气控制系统能耗大的问题，因此对电气控制系统优化设计，从两方面完成优化，一是保证系统稳定性，二是设置报警机制，通过对PLC中的软件编程，将PLC本身与软件功能集合，以保证系统的稳定性。通过上述公式计算能够得到系统参数与性能之间的关系，在实际操作中，只需调节K值这个参数就能够完成系统稳定性能的优化。在此基础上，设置报警机制，系统主要由硬件对电气控制与监控，但不具有自动报警功能，因此设置警戒值。

根据上述计算能够在电气控制中产生的故障问题进行自动报警，能够科学保障配电系统的运行安全，精确计算电能，有效控制耗电量，以满足系统节能环保需求。为证明上述设计的有效性，将在下一步进行实验。

3实验

实验以某冶金电气设备为实验对象，在实验之前初始化实验设备，分别应用文献方法和文献方法与此次设计的系统方法对设备控制，对比5天内三种系统的运行情况。

并采用KIU-45I软件，对实验时产生的数据全面收集，并收集设备运行时的相关信息，包括设备运行利用率、各种事件的触发时间以及相关变量变化等，实验监控终端的作用是记录实验产生的信息，并将实验信息以曲线的形式展现出来，图中服务器主要为实验提供通信功能。为了准确测量设计系统方法的运行效率，需要在实验平台上进行仿真研究，其具体操作流程如下：1）将节能环保型电气控制系统实验中的全部场景依次转换为可控粒子数据;2）配置对应的参数，同时对粒子群数据进行初始化处理，同时将粒子的速度设定为0;3）通过PLC技术阻止全部场景;4）通过对应的计算公式更新粒子数据个体的最优位置。

结论

针对传统的节能环保型电气控制系统能耗高的问题，设计一种基于PLC技术的节能环保型电气控制系统。从系统硬件设计与系统软件设计两方面完成了系统的设计，系统硬件部分以PLC技术为系统的核心功能，主要包括处理器、控制器与电源设计，系统的软件部分保证系统的稳定运行，并设置临界值，如果系统出现故障，则自动触发报警机制，以有效控制耗电量，以此实现基于PLC技术的节能环保型电气控制系统。本次设计的节能环保型电气控制系统的创新点是：（1）是利用PLC技术实现设计;（2）是提出主控电源与备用电源的切换原理。实验对比结果表明，此次设计的系统比其他方法设计的系统能耗低，满足了节能环保型电气控制系统的设计需求，对实现能源节约，具有一定的实际应用意义。

参考文献：

[1]焦晓峰，呼守信.新型多功能巷道修复机电气控制系统设计[J].煤炭工程，2017，49（9）：43-45.

河南安彩高科股份有限公司，河南安阳 455000