基于PLC的楼宇供电系统研究

摘 要：随着社会的发展，大型办公楼的使用正在迅速增多，然而针对办公楼的供电大多数依然采用人工管理控制，其可靠性和机动性差、人力资源浪费严重。针对此问题，本文提出一种基于PLC控制的楼宇供电控制方案，本方案以PLC可编程控制器为核心，结合温度传感器、人员感知、光敏传感器、GSM等功能器件，实现了楼宇用电的自动控制。经过检验，系统可靠性高、节电明显，并且具有较高的移植性和扩展性。

关键词：PLC；楼宇供电；自动控制；节电

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

0 引言

近年来我国经济发展迅速，越来越多的高层办公楼被投入使用，因而传统的供电系统和模式已经不能跟上实际的需要。由于传统供电方式需要完全依赖人工，操作繁琐而且效率低下，并且系统整体的可靠性也较低。同时传统供电方式粗放，所带来的资源浪费非常严重[1]。

随着八十年代美国实验成功了第一栋智能化建筑开始，智能化发展十分迅速，已经逐步成为目前建筑的标配，韩国的松岛新城已经发展成为完全的智能化城市。所谓的智能化建筑系统包括了电力、安全、通信、安保、生活所需等方面的全自动行为，然而，目前国内大部分楼宇建筑，尤其老式建筑的所有以上功能都采用人工进行管理，基本没有针对社会的发展进行相应的改造，只有少数位置开始更换声控或光控来进行供电，依然不能满足社会发展的需要[2]。

针对市场调查显示，市面上功能全面且技术先进的系统造价高并且不具备通用性，定制周期较长同时后期维护繁琐，不能与时俱进的进行功能拓展，因此不适合普通办公楼的电力改造。而功能简单的系统可靠性较差，技术不够成熟，不能完全满足用户需求[3]。因此，本研究提出了基于PLC的智能楼宇供电系统，其可定制性高且系统稳定性高、便于功能的拓展、造价低廉，更加适合市场的需要。

1 系统功能及指标

针对市场需要，所研究的供电系统主要实现自动控制功能。自动控制就是使系统按照事先预定的若干工况进行工作，不需要人工干涉。该系统主要分为照明用电控制、空调用电控制、个人计算机用电控制、换气扇用电控制、短信报修与GSM远程控制及上位机实时监控、基于VPN技术的Internet远程控制六个主要部分，本供电系统需要实现的基本功能点如下[4]。

针对现代办公楼的建筑特点，本研究中的主要控制对象有：照明、空调、个人计算机、机房、换气扇、短信报修及GSM远控、上位机监控及VPN系统。性能指标主要有：（1）系统所有元器件要可靠性高、寿命长、安装和维护简单、造价成本低、后期可扩展性好、运营成本低，具有很高的经济效益；（2）系统各项参数可设定，使整个系统处于自动工作状态，同时可以根据实际需要进行相应调节；（3）能够实现GSM通信并对信息进行读取和发送，可以实现远程保修、短信监控的功能；（4）具有适合非专业人士操作的上位机控制和显示界面，以便直观的对系统进行观测和控制[5]；（5）将系统功能进行模块化集成，方便日常系统维护以及功能的升级和扩展；（6）能实现完整的电力、火灾等常规安全事故的报警功能。

2 系统方案设计

系统方案设计包括系统总体控制功能设计以及组网功能设计，分别如图1和图2所示。系统的总体设计使得系统具有清晰的模块化结构便于维护和升级扩展；系统组网需要针对实际系统设计出可靠且功能全面的通信和人机交互方案，增强系统的可靠性并提高运行效率。

系统控制框图如图1所示，使用SIEMENS研发的CPU226 PLC为控制核心，框图中所设计的光照检测、温度检测、人数检测分别使用外接光照传感器、温度传感器、接近开关实现。所涉及的各种控制功能都可以通过对S7-200 CPU226编程实现信号的检测和转换并执行。

系统组网如图2所示，将上位机和PLC连入公司内网，同时设定固定IP地址并加密，仅授权管理员具有访问权限，最大限度的保证了系统的安全性。此外系统配置了智能短信报警器GRM200，实现双向传输功能：故障时向管理员报警；管理员远程通过手机短信可控整套系统。系统联网使其可完全无人值守，极大的提高了系统的执行效率[6]。

3 软硬件设计

通过以上对系统功能和组网需求的分析可列出系统所使用的元器件选型，具体选型结果如下图所示。由于实现整体功能所使用的器件较多，单个CPU接口无法满足实际需要，因此使用了多个扩展模块，选型及布局如图3所示。

根据以上选型及具体元器件的布局，本研究基于PLC的供电系统包括对生活区域的供电控制如照明控制、空调及个人电脑用电以及对整栋楼宇的安全性管理如机房温度控制、错误报警的问题。针对以上需要，本文所研究的智能供电控制系统的部分流程图如下图4所示。

4 可靠性分析

虽然本系统仅工作在一般工况下，不属于高温、强电磁场等恶劣环境，但是系统属于长时间运行，同时服务于办公场所，因此要保证系统的可靠性和稳定性[3]。系统可靠性检验主要集中在PLC及其扩展组件的选型和安装上。

PLC的工作温度一般要求在在0℃～55℃，所以要保证PLC周围通风良好并且周边没有发热量大的元件[7]。在湿度方面，为了保证PLC的绝缘性能防止内部受潮短路，控制湿度必须小于85%，这样的环境在一般的室内都可以满足。然而对于系统来说，由于本身也是耗电系统，可靠性最关键的地方是需要有UPS稳压电源的支持，以保证全局断电时系统不受影响的继续运行[7]。

在稳定性和安全性要求更加严苛的场所，需要对数字量输入模块增加继电保护装置，当系统中因为故障出现大电流时，继电保护的存在可以保护后端的数字处理器不受损害，故障消除后系统能够自动恢复运行。

5 结论

经过将本文所设计的系统应用到工程实际中，实际运行显示本系统可靠稳定，并且每月节约电量12%左右，对于大型办公楼来说，一季度节约电费了即可完成本系统的部署，后期维护成本低。同时做到了大量节约人力和劳力，系统维护性强移植性高。实际使用证明，本研究提出的设计方案具有极高的工程实用性。

参考文献：

[1]杨晨，毛玲，陈文明等. 直流楼宇供电系统的设计要求分析与研究[J].电源学报，2014，12（03）：33-41.

[2]陈岁生，卢建刚.基于智能检测技术的室内照明系统[J].机电工程技术，2008，37（05）：53-55.

[3]唐建国，余斌.PLC在教学楼照明控制系统中的应用[J].微计算机信息，2006，22（04）：111-112， 152.

[4]王晴.农村楼宇智能化供电模式及其应用效果[J].电力需求侧管理，2014，16（03）：49-51.

[5]刘泽西，刘小丽，王勇等.低压供电在线监测系统在楼宇自动化中的应用[J].电工电气，2013，2（01）：27-30.

[6]安琳，冀建利，王丽娟.基于TMS320F2407的楼宇智能供电系统[J].科技信息， 2009，3（07）：50-51.

[7]于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：刘丹（1989-），女，回族，山东济宁人，学士，高校助教，主要从事电气教学工作。