基于PLC的机场低压供电控制系统设计与优化研究

康奇圣

（泉州空港物业管理有限公司，福建 泉州 362200）

现代机场是一个大型的、复杂的系统，其中机场供电控制系统是保证航班正常运行的重要组成部分。传统的机场低压供电控制系统采用手动控制，需要大量人力资源进行操作和维护，效率低下且容易出现安全事故。因此，为了保障机场的安全和可靠性，需要设计一种高效、精准、安全、可靠的机场低压供电控制系统。随着科技的发展和自动化控制技术的不断成熟，基于PLC的机场低压供电控制系统应运而生。PLC技术是目前工业自动化领域中应用最广泛的控制技术之一。PLC具有可编程性强、功能丰富、响应速度快、可靠性高等优点，在机场低压供电控制系统中有广泛应用。因此，本文设计了基于PLC的机场低压供电控制系统的设计与实现，并与传统机场低压供电控制系统进行对比，以此展示其优势和可行性。以提高机场低压供电的安全性和能效性，满足复杂的应用需求，为未来机场供电的发展提供新思路和新方法。

1 系统硬件设计

1.1 PLC可编程逻辑控制芯片

在机场低压供电控制系统硬件设计中，PLC可编程逻辑控制芯片是核心部件之一。它主要负责对输入信号进行处理、逻辑判断和运算，并控制输出信号的开关状态，从而实现对机场低压供电的控制和管理。本文选取的是一种由西门子公司生产的型号为6ES7 2210BA23，容量为128MB的PLC芯片。由于PLC芯片具有高速处理能力、可编程性强、稳定性高、可靠性好等特点，所以被用于机场低压供电自动化控制系统，并安装在该系统的PLC控制模块中，控制模块中的PLC芯片与微处理器S3C2510芯片的总线连接图如图1所示。

图1 PLC的总线连接图

图2 通信模块结构图

1.2 低压电流数据采集器

低压电流数据采集器负责对机场低压供电系统中的电流信号进行采集、处理和传输，为PLC控制器提供准确的电流数据，从而实现对机场低压供电系统的精准控制和监测。根据机场低压供电系统的实际情况和控制要求，为了保证采集的电流数据准确可靠，需要选用高精度、高性能的电流采集芯片。所以本文选用了AD737芯片作为数据采集模块，它是一种集成了高精度ADC、PGA、参考电压源和I2C接口等多种功能的电流采集芯片，被广泛应用于电力系统等领域，并且它还是一种直流转换器，可以精确地进行电流采集和实时数据传输，以获得不同形式信号的精准电流数据采集结果，为低压电力系统的监控和控制提供了可靠的数据支持。

1.3 供电控制通讯模块

供电控制通讯模块负责将PLC控制器与其他外部设备进行通讯和数据交换，实现机场低压供电系统的全面控制和监测。根据系统的实际情况和通讯要求，选择合适的通讯协议，为了实现低压供电控制系统中不同设备之间的通信和数据交换，本文选择了Modbus总线协议作为低压供电控制系统的通信协议，通过Modbus协议，低压供电控制系统中的不同设备可以进行双向数据通信，并能够快速、可靠地实现数据的传输和处理。同时，实现对低压供电系统中的各种设备和控制器的远程监控和控制，并选择客户端/服务器结构作为系统各供电装置的通信结构。通过利用客户端的处理能力，减少控制系统的通信负担，降低服务器的工作量。

2 系统软件设计

2.1 计算机场低压电流输入输出幅值

计算机场低压电流输入输出幅值的方法可以根据实际情况进行选择，本文选取振荡幅度调制算法来计算机场低压电流输入输出幅值，振荡幅度调制算法是一种通过对电流信号进行调制和解调，来推算电流幅值的方法，提升PLC芯片的控制性能，实现功率增益分配均衡。在采集低压供电系统电流数据时，利用电流采集芯片等数据采集装置，并设置调谐回路信号表达式如下：

式中，Rs表示采集的高频信号，Rr表示采集低频信号；h1表示调谐信号，Msr表示调谐系数；表示载频分量，表示中频振荡器的工作频率。

为了均衡处理通带内频谱分量的增益分配，系统采用选频滤波处理方法对接收信号进行处理。经过选频滤波处理方法后，接收机振荡起振，低压电流输入输出的幅值表达式为：

式中，sV表示高频电压，cV表示干扰电压信号，Z表示阻抗，最后的计算结果为机场低压电流输入输出幅值。

2.2 控制直流电流越限与过调制限幅

机场低压供电控制系统会把低压电流输入输出幅值与预设的幅值范围进行比较，以检测电流是否越限，一旦检测到电流越限，系统需要采用过调制限幅技术进行控制。过调制限幅技术是指在直流电流超出范围时，通过改变脉冲宽度调制信号的占空比，控制输出的直流电流。这样可以保证直流电流在合理的范围内运行，同时避免出现电路短路或其他故障情况。首先，需要设置直流电流的上下限，以便在检测到越限时能够进行控制，即直流电流表达式为：

其次，设开关周期是Ts，第k拍的直流电流为idc(k)，第k+1拍的直流电流为idc(k+1)，得到直流侧电感的离散状态方程为：

整理可得参考矢量幅值的表达式为：

当负载突变时，电流超过保护阂值触发逆变器故障保护导致系统停机，供电系统可靠性降低。因此，在交流电压控制器与直流电流控制器之间加一个直流电流限幅器，限幅器工作原理如图3所示。

图3 直流电流越线控制示意图

如图3所示，在0-t1时间段内，直流电流参考值idcref小于最大值idcrefmax时，变流器工作在电压控制模式。而t1时刻，因为负荷突然变大，直流电流参考值idcref达到了最大值，逆变器进入电流控制模式。到t2时刻负载变小，逆变器穿越了短时过载，重新恢复电压控制模式。最后系统采用PID控制算法进行反馈控制，实时监测和调整直流电流的输出，以确保在任何时候都能够保持合理的输出范围，从未有效地控制直流电流的越限和过调制限幅，保证系统的稳定性和可靠性。

2.3 实现机场低压供电自动化控制

当用户通过控制系统的显示界面选择所需的功能时，系统会自动触发相关的控制功能，并通过控制界面向用户显示所需的控制结果。当检测出现系统出现故障情况，可编程控制器会自动停止系统运作，并将故障类型写人报警信息表，以便后续对故障进行处理，PID可以通过设定参数及反馈信息实现对流量的调节，PID输入输出关系式为：其中Kp为比例系数，1T为积分时间常数，DT为微分时间常数。

假设采样周期为T，系统开始运行时刻为t=0，将上式离散化后得：

其中U(n)为第n次采样后PID控制器的输出，n为采样序号，T为采样周期，e(n)第n次采样时的误差值，KI为积分常数，KD为微分系数。至此我们基于PLC完成实现了对机场低压供电设施进行智能控制，从而对机场场内各种电力设备的精准控制，保证机场正常运行。

3 系统性能测试

3.1 搭建测试平台

为了验证所设计系统对低压供电的控制性能具有一定的有效性，需要设计系统性能测试实验，我们将该系统应用于某机场的低压供电系统中，并成功搭建的基于PLC的低压供电控制系统实验平台，设定该机场监控系统监测和控制的电路数量是500个，设备数量是200个，并将其用于与传统的低压供电控制系统进行对比。实验测试平台如图4所示。

图4 实验测试平台

3.2 实验结果与分析

由本文基于PLC所设计的机场低压供电控制系统监控低压供电系统中供电线路的节点电流变化结果如图5所示。

图5 供电线路节点电流监控结果

根据图5的结果，可以看出本文基于PLC所设计的机场低压供电控制系统可以实时控制低压供电控制系统中各个供电线路的节点电流情况，当出现故障或异常情况时，工作人员可以迅速通过监测节点电流的变化状态快速确定低压供电控制系统的故障点，及时解决问题，从而提高低压供电控制系统的可靠性，并能够随时了解低压供电供电线路的运行状态，从而判断低压供电控制系统是否稳定，提高低压供电控制系统的安全性。此外，根据图6的系统侧试结果显示，该系统可以有效控制低压供电网络的电压波动状态。与传统的低压供电控制系统相比，该系统可以有效改善电压波动情况，提升低压供电系统的供电质量。该系统的自动化监控功能可以实时监测设备和线路的运行状态，当运行参数异常或数值偏高时，系统将自动报警。因此，该系统的自动化监控功能可以提高低压供电系统的运行可靠性和安全性，减少电力供应中断的风险。

图6 电压波动两系统控制结果对比

4 结语

随着电力自动化控制技术的不断发展，基于PLC的机场低压供电控制系统已经成为一种越来越受欢迎的解决方案。本文重点介绍了该系统硬件和软件两方面的设计架构，包括数据采集和分析、供电控制通讯模块、测试平台搭建以及实现机场低压供电自动化控制等方面的内容。虽然该系统在成本等方面可能会有一定的挑战，但是它的智能化、可靠性和可扩展性等方面的优势可以带来长期的效益和价值。在未来的研究中，可以进一步探索如何将该系统应用到更广泛的场景中，以满足不断变化的需求和挑战。