自动化控制中弱电控制强电的对策分析

2023-01-06夏波

现代制造技术与装备 2022年11期

夏波

（重庆轨道交通集团有限公司，重庆 400000）

自动化控制系统在现代生产中得以运用，其中非常重要的一环是弱点控制系统，即通过相对零散的技术有效控制强电。自动化系统得到控制后，弱电控制强电效率得到了提高，有利于加强弱电控制强电的系统稳定性。自动化控制技术的基础条件为电气控制，其弱电控制系统的运行离不开对象链接与嵌入的过程控制（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）类开放式平台。改善技术操作流程，掌握电气控制技术特征后再采取多元化操作技巧。比如，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术可用于多样化产品的生产。编程环节也可采用PLC系统，使自动化控制的弱电控制强电拥有更理想的操作条件，产生标准化电气接口[1]。

标准化电气接口和平台应按照标准操作规范，优化自动化平台功能。此时可以应用计算机技术进行现场控制，通过双向传输在现场布置总线，而总线系统通过构建电缆、远程控制之间的串联机制，提高弱电控制强电环节信息显示的精准性。基于此，针对自动化控制中的弱电控制强电展开探讨，提出弱点控制强电的可行对策。

1 自动化控制中弱电控制强电原理

弱电控制强电一般采用PLC作为核心部件，利用输入输出数字量、模拟量操作达到弱电控制强电的目的。弱电控制强电时往往处于主导位置，原理如图1所示。如今冶炼企业中运行的辅助系统普遍采用PLC控制系统。PLC既能够独立控制任意工艺流程，又能够在接入分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）后起到生产协调的效果。自动控制系统运行时，PLC具有储存逻辑运算、顺序控制等功能。编制控制程序传输强电控制逻辑相关要求，提前储存到PLC储存器，一旦PLC开始运行，系统便可根据规定自动进行强电逻辑控制和操作。

图1 弱点控制强点原理

因为PLC控制系统包括计数器、定时器等编程元件，替代了物理元器件，所以控制逻辑的灵活性和复杂性更强。对比以前使用的继电控制，一旦发生触点接触不良、线圈烧坏等故障，控制系统将会出现相应的运行阻碍，增加了事故发生率。PLC软件替代中间继电器、时间继电器的功能，仅使用输入、输出的一些硬件，也在一定程度上降低了故障发生率。

2 弱电控制强电要求

2.1 判断依据

如果从电压等级的维度判断，电力运行时的强电包括输电过程的220 V、380 V、1 000 kV。强电的显著特征在于输电特性。但是，对比强电，电力系统内弱电的使用往往更加普遍，如通信、计算机、医疗机械等领域[2]。电子电路属于弱电流区域，弱电最主要的功效并非是功率输出，而是电力线弱电流的传输，执行或实现相关功能和自动控制[3]。需要注意，380 V高压电路一般可缩小至较弱电流范畴，可见弱电流和强电流之间存在一些显著区别。

如果从控制维度分析，这与电气控制系统要求并不相符。因为自动化控制较弱，所以自动化控制显得十分关键。变电站控制系统分为功率控制系统和强功率控制系统，具体应该以实际电气控制要求为依据进行选择。

2.2 关键问题

弱电控制强电需要重点关注自动化电力控制平台、自动化接口标准化应用、自动化计算机端台系统及自动化总线控制系统4个方面。

2.2.1 构建自动化电力控制平台

根据弱电控制强电实际要求，构建满足计算机端口要求的电气控制标准。此环节需要在相应的数据信息平台进行转换，因此各平台消耗比例对接、结合非常关键，可以优化自动化弱电平台性能。

2.2.2 自动化接口标准化应用

自动化工业控制系统实操提出相应的要求，以此为依据进行编程设计语言的合理配置，制定满足国际化要求的规范性实操方案。大量运用自动化数据产品，有助于节省人力资源，提高编程规范性，且PLC数据信息平台的功能也可以在实操中得到体现。

2.2.3 构建自动化计算机端平台

根据计算机数据端口规范要求，技术人员需要选择相应的数据信息技术，构建计算机端口操作系统。此环节的重点是办公集约化数据，需按照行业规范管理需求，在计算机、互联网信息的支持下，合理配置自动化信息软件，编制合理可行的平台管理标准，为自动化计算机端平台提供支持。

3 自动化控制中弱电控制强电的相关建议

3.1 固态继电器

继电器应用范围广，是弱电控制强电效果较好的元件，原理如图2所示。固态继电器（Solid State Relay，SSR）属于无触点启动装置，内部包括微电子电路、分立电子元件、应用隔离装置以及隔离负载端、控制端[4]。弱电控制强电过程中使用固态继电器，具有抗干扰性强，使用寿命长，不会发出较大的噪声，耗能小，开关反应速度快和安全性高的优点。在输入微小的控制信号后，对大电流荷载可产生直接驱动效应。当继电器操作工序简化后，可取消相应的条件限制。

图2 固态继电器原理图

固态继电器属于半导体元件，具有无触点特性，可作为辅助支持单片机运转和固态继电器的输入与输出。通过光电隔离有利于改善绝缘效果，保证绝缘电压在2 000 V以上，极大地提高了电路的运行安全性。尽管固态继电器有上述优势，但在实操方面不可避免存在一些问题。例如：解决散热设计合理性问题，可以解决空间不足、散热片强制散热的问题；解决电阻电容器（Resistor Capacitor，RC）使用的问题，可以改善滤波吸收与输入；解决固态继电器漏电问题，若小功率荷载，则要关注漏电流引发的荷载控制故障。

3.2 大型自动控制系统结构

一般大型自动控制系统包括现场传感器、主站层和远程输入/输出（Input/Output，I/O）站3层网络结构。主站层组成元件包含PLC、组态界面等。设备统一安装于集控室，为工程师操作提供方便。

利用光纤、以太网类通信设备，连接远程I/O站。I/O站需要和现场接触器相关的电器元件连接，此环节的连接需要用到二次控制线路或者总线。现场传感器中传感器元器件数量较多，如温度传感器、电流变速器等。这些元器件信号均是利用4～20 mA电流传输，同时接入远程I/O站。当远程I/O站接收到信号后，将其转换为数据上传至主站层。常采用全自动控制实现大型自动控制系统的运行，但在现场则多采用手动操作设备的控制方法。

工程师利用计算机显示屏可以在集控室统一监控系统设备，利用鼠标在显示器上直接设置设备运行状态或者运行参数，以提高系统的生产效率，减少工作量，保证工作人员的人身安全。很多大型工业企业电机的启停涉及自动启停和现场控制箱手动启停两种类型。

处于自动状态时，电机开停机通常是受站层控制，经过现场传感器的监测获取物料高低数据，并以此为依据自动启停电机。现场启停应该遵循就近原则或远程旋钮，将其切换至就地档位，随后再利用现场控制箱达到启停电机的效果[5]。

3.3 单片机

弱电控制强电操作过程中，单片机至关重要。单片机是实现自动控制的重要设备，抗干扰性强，且重量和体积小。例如，设计列车尾灯控制系统，通过传感器设备实现运行，在车辆转速、电压、运行环境温湿度等测量方面优势明显，可以真实有效地传递数据。当单片机接收到数据后自动化处理，由系统发布最终的判定结果，完成列车的自动化控制。流程中自动化控制系统负责尾灯闪烁间隔时间的控制，通常是0.5 s[6-8]。采集的最新信号需要对比设定标准，分析车辆尾灯闪烁频率和0.5 s的差距，按照对比结果发布自动控制指令。单片机设备在弱电控制强电过程中，通过液体运行、温度等数据直观反映系统的运行惯性，有效提高单片机控制的实际效果。

3.4 WLAN覆盖系统

智能综合无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）接入点属于WLAN网络接入点，其中涉及长度为150 m的无线电波信号，强度最高可达65 dBm。WLAN覆盖方面，运用大功率双B和接入点覆盖模式，可以支持802.11AC，模拟室外双频WLANAP，还能够支持3/215。采用双频模式有较高的接入容量，业务支持性能强，保障了网络安全性和组网灵活性。设备管理方面操作比较简单，可以使用WPA/connected/WPA-wpa2-psk、wpa2/WPA-wpa2-802.1x认证方法以及有线等效保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）加密安全机制，为公网数据安全提供保障[9-12]。