基于PLC的樓宇供電系統(tǒng)研究

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，大型辦公樓的使用正在迅速增多，然而針對辦公樓的供電大多數(shù)依然采用人工管理控制，其可靠性和機(jī)動(dòng)性差、人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重。針對此問題，本文提出一種基于PLC控制的樓宇供電控制方案，本方案以PLC可編程控制器為核心，結(jié)合溫度傳感器、人員感知、光敏傳感器、GSM等功能器件，實(shí)現(xiàn)了樓宇用電的自動(dòng)控制。經(jīng)過檢驗(yàn)，系統(tǒng)可靠性高、節(jié)電明顯，并且具有較高的移植性和擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：PLC；樓宇供電；自動(dòng)控制；節(jié)電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.166

0 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，越來越多的高層辦公樓被投入使用，因而傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)和模式已經(jīng)不能跟上實(shí)際的需要。由于傳統(tǒng)供電方式需要完全依賴人工，操作繁瑣而且效率低下，并且系統(tǒng)整體的可靠性也較低。同時(shí)傳統(tǒng)供電方式粗放，所帶來的資源浪費(fèi)非常嚴(yán)重[1]。

隨著八十年代美國實(shí)驗(yàn)成功了第一棟智能化建筑開始，智能化發(fā)展十分迅速，已經(jīng)逐步成為目前建筑的標(biāo)配，韓國的松島新城已經(jīng)發(fā)展成為完全的智能化城市。所謂的智能化建筑系統(tǒng)包括了電力、安全、通信、安保、生活所需等方面的全自動(dòng)行為，然而，目前國內(nèi)大部分樓宇建筑，尤其老式建筑的所有以上功能都采用人工進(jìn)行管理，基本沒有針對社會(huì)的發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)的改造，只有少數(shù)位置開始更換聲控或光控來進(jìn)行供電，依然不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要[2]。

針對市場調(diào)查顯示，市面上功能全面且技術(shù)先進(jìn)的系統(tǒng)造價(jià)高并且不具備通用性，定制周期較長同時(shí)后期維護(hù)繁瑣，不能與時(shí)俱進(jìn)的進(jìn)行功能拓展，因此不適合普通辦公樓的電力改造。而功能簡單的系統(tǒng)可靠性較差，技術(shù)不夠成熟，不能完全滿足用戶需求[3]。因此，本研究提出了基于PLC的智能樓宇供電系統(tǒng)，其可定制性高且系統(tǒng)穩(wěn)定性高、便于功能的拓展、造價(jià)低廉，更加適合市場的需要。

1 系統(tǒng)功能及指標(biāo)

針對市場需要，所研究的供電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。自動(dòng)控制就是使系統(tǒng)按照事先預(yù)定的若干工況進(jìn)行工作，不需要人工干涉。該系統(tǒng)主要分為照明用電控制、空調(diào)用電控制、個(gè)人計(jì)算機(jī)用電控制、換氣扇用電控制、短信報(bào)修與GSM遠(yuǎn)程控制及上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、基于VPN技術(shù)的Internet遠(yuǎn)程控制六個(gè)主要部分，本供電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的基本功能點(diǎn)如下[4]。

針對現(xiàn)代辦公樓的建筑特點(diǎn)，本研究中的主要控制對象有：照明、空調(diào)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、機(jī)房、換氣扇、短信報(bào)修及GSM遠(yuǎn)控、上位機(jī)監(jiān)控及VPN系統(tǒng)。性能指標(biāo)主要有：（1）系統(tǒng)所有元器件要可靠性高、壽命長、安裝和維護(hù)簡單、造價(jià)成本低、后期可擴(kuò)展性好、運(yùn)營成本低，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益；（2）系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)可設(shè)定，使整個(gè)系統(tǒng)處于自動(dòng)工作狀態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)GSM通信并對信息進(jìn)行讀取和發(fā)送，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程保修、短信監(jiān)控的功能；（4）具有適合非專業(yè)人士操作的上位機(jī)控制和顯示界面，以便直觀的對系統(tǒng)進(jìn)行觀測和控制[5]；（5）將系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化集成，方便日常系統(tǒng)維護(hù)以及功能的升級和擴(kuò)展；（6）能實(shí)現(xiàn)完整的電力、火災(zāi)等常規(guī)安全事故的報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)總體控制功能設(shè)計(jì)以及組網(wǎng)功能設(shè)計(jì)，分別如圖1和圖2所示。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有清晰的模塊化結(jié)構(gòu)便于維護(hù)和升級擴(kuò)展；系統(tǒng)組網(wǎng)需要針對實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)出可靠且功能全面的通信和人機(jī)交互方案，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性并提高運(yùn)行效率。

系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，使用SIEMENS研發(fā)的CPU226 PLC為控制核心，框圖中所設(shè)計(jì)的光照檢測、溫度檢測、人數(shù)檢測分別使用外接光照傳感器、溫度傳感器、接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)。所涉及的各種控制功能都可以通過對S7-200 CPU226編程實(shí)現(xiàn)信號的檢測和轉(zhuǎn)換并執(zhí)行。

系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2所示，將上位機(jī)和PLC連入公司內(nèi)網(wǎng)，同時(shí)設(shè)定固定IP地址并加密，僅授權(quán)管理員具有訪問權(quán)限，最大限度的保證了系統(tǒng)的安全性。此外系統(tǒng)配置了智能短信報(bào)警器GRM200，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功能：故障時(shí)向管理員報(bào)警；管理員遠(yuǎn)程通過手機(jī)短信可控整套系統(tǒng)。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使其可完全無人值守，極大的提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率[6]。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

通過以上對系統(tǒng)功能和組網(wǎng)需求的分析可列出系統(tǒng)所使用的元器件選型，具體選型結(jié)果如下圖所示。由于實(shí)現(xiàn)整體功能所使用的器件較多，單個(gè)CPU接口無法滿足實(shí)際需要，因此使用了多個(gè)擴(kuò)展模塊，選型及布局如圖3所示。

根據(jù)以上選型及具體元器件的布局，本研究基于PLC的供電系統(tǒng)包括對生活區(qū)域的供電控制如照明控制、空調(diào)及個(gè)人電腦用電以及對整棟樓宇的安全性管理如機(jī)房溫度控制、錯(cuò)誤報(bào)警的問題。針對以上需要，本文所研究的智能供電控制系統(tǒng)的部分流程圖如下圖4所示。

4 可靠性分析

雖然本系統(tǒng)僅工作在一般工況下，不屬于高溫、強(qiáng)電磁場等惡劣環(huán)境，但是系統(tǒng)屬于長時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)服務(wù)于辦公場所，因此要保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。系統(tǒng)可靠性檢驗(yàn)主要集中在PLC及其擴(kuò)展組件的選型和安裝上。

PLC的工作溫度一般要求在在0℃～55℃，所以要保證PLC周圍通風(fēng)良好并且周邊沒有發(fā)熱量大的元件[7]。在濕度方面，為了保證PLC的絕緣性能防止內(nèi)部受潮短路，控制濕度必須小于85%，這樣的環(huán)境在一般的室內(nèi)都可以滿足。然而對于系統(tǒng)來說，由于本身也是耗電系統(tǒng)，可靠性最關(guān)鍵的地方是需要有UPS穩(wěn)壓電源的支持，以保證全局?jǐn)嚯姇r(shí)系統(tǒng)不受影響的繼續(xù)運(yùn)行[7]。

在穩(wěn)定性和安全性要求更加嚴(yán)苛的場所，需要對數(shù)字量輸入模塊增加繼電保護(hù)裝置，當(dāng)系統(tǒng)中因?yàn)楣收铣霈F(xiàn)大電流時(shí)，繼電保護(hù)的存在可以保護(hù)后端的數(shù)字處理器不受損害，故障消除后系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

5 結(jié)論

經(jīng)過將本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)際中，實(shí)際運(yùn)行顯示本系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，并且每月節(jié)約電量12%左右，對于大型辦公樓來說，一季度節(jié)約電費(fèi)了即可完成本系統(tǒng)的部署，后期維護(hù)成本低。同時(shí)做到了大量節(jié)約人力和勞力，系統(tǒng)維護(hù)性強(qiáng)移植性高。實(shí)際使用證明，本研究提出的設(shè)計(jì)方案具有極高的工程實(shí)用性。

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作者簡介：劉丹（1989-），女，回族，山東濟(jì)寧人，學(xué)士，高校助教，主要從事電氣教學(xué)工作。