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基于PLC控制的物联网家居智能插座监测系统设计

发表时间：2020/11/10 来源：《基层建设》2020年第21期作者：赵祥民薛立柱孙硕伟

[导读]

        哈尔滨理工大学
        随着科学技术的进步，家用电器及办公用电设备的普及度越来越大，技术含量也越来越高，加之随人们收入的提高，家用电器使用到越来越多的方面去了。因而用到的电能分配要求也越来越高。同时各种电器在方便人们的生活的同时，也存在安全隐患，导致引起火灾。据公安和消防部门有关资料显示，全国平均每天发生火灾358起，其中电器火灾占30%以上，其主要原因是超负荷、短路、电弧等。事故的发生与家用电器的插座密切相关[1]。因此，研制出当家用电器出现安全隐患之时能及时切断电源的智能插座至关重要。
        现如今市场的绝大多数出插座都不具备任何智能功能，极少所谓的“智能插座”也只是具备定时通断功能，而无法对非正常状况进行监测与断电控制，不具备真正的智能功能，并且性价比也不高。现有的插座已经不能适应各方面的需要，功能新颖的插座有着强大的市场需求。为此，我们将研究一种新型智能插座具有重要意义。本设计作品属于PLC控制的物联网智能插座。插座功能类似于单相多功能电表。设计思想为设计以微功耗PLC（可编程逻辑控制器）为信息处理核心配有压敏电阻和报警灯的智能插座。插座具有防雷击、过载保护、感应通断、自动报警等智能功能。
        智能插座通俗的说是节约用电量的一种插座，节能插座的理念很早之前就已经生成，到目前为止已经发展的比较广泛，但是智能插座功能多样化往往带来的是功耗问题，因此技术上还有待于进步。
        随着我国经济的迅猛发展，我国建筑耗能高的问题日益突出。在我国现有的约430亿m2建筑中，只有4%采取了节能措施，单位建筑面积能耗为发达国家新建建筑的3倍以上[2]。目前，我国在用电方面还比较浪费，大部分采用的智能开关功能复杂，功耗高，智能用电节能效率低，这也是造成能源浪费的一个重要方面。建筑智能用电作为建筑节能的重要方面，迫切需要建立节能效率高、成本低的建筑智能用电系统以减少建筑用电能耗问题。
        智能用电系统中，PLC系统与物联网结合意义重大。设计一种新型PLC智能插座监测系统，可以实现电压、电流、有功功率、无功功率、电量等的测量，并可实现防雷击、故障报警、过载保护、感应通断等智能功能。可以实时监测电器的工作状态，关闭处于待机状态的电器设备，减少能源的浪费。
        物联网智能插座是一种拥有很大前途的系统，它利用了现有家庭中的网络，让您的智能手机或平板电脑等在联网条件下，能通过App操作打开或者关闭指定的电器以及实时检测用电器的用电情况。而且由于智能插座能够做到让电器完全断电，对于电视机、电热水器等待机功率较大的电器，用智能插座控制后就能做到随用随开。因此物联网与智能插座在效率方面将会在更加优越。
        将PLC技术应用于物联网智能插座中具有很大的优势，其不仅可以测量电压、电流、电量等功能，还能实现防雷击、故障报警、感应通断等智能功能。将PLC技术应用于物联网智能插座中，可以保证有线传感网络数据传输的可靠性，解决有线传感网络需要单独布线的问题，并且极大地解决了节能效率低的问题。因此PLC的物联网插座有着很大的应用性。
        智能插座的类型。智能插座是一种具有多路电源分配部件的家居产品，是在物联网的概念下产生的[7]。能够实现与其它家用电器相连，在控制插座的情况下，实现各种家用电器的控制。随着智能插座的发展，智能插座发挥的作用逐渐增大。
        智能插座的类型主要有漏电保护型、定时型、感应型、遥控型等。其中漏电保护型智能插座，具有漏电保护的功能，在漏电超额的情况下能够自动断电，达到保护用电设备[8]。
        感应型智能插座，能够感应用电器的情况断电，节省了大量电费。主路控制型智能插座，只有一个主路，其余为辅路，主路断电后，其余的辅路也将断电，从而减少待机功能，用电更加安全。遥控型智能插座，可以达到每条路的遥控控制。与传统的插座相比，智能插座都具有自动处理的功能，但是由于功能过于单一，离网络化还有一定的距离。采用PLC方式、利用现有电力系统进行物联网组建，不需要另外敷设通信线路，具有极强的实用性。
        项目研究现状与分析。
        1. PLC系统的技术特点
        PLC通信技术也可以称为电力线载波通信，其主要是利用高压电力线、中压电力线、或低压配电线作为信息传输媒介进行传输，一般是通过语音或数据的形式实现的，具有一定的特殊性[3]。
        2. PLC系统工作原理
        （1）数据处理过程
        1）数据搜集采样。通过PLC系统进行控制管理之前会先搜集相关的数据与信息并对活动进行处理。一般来说都是通过扫描的形式完成数据输入的，在此基础上搭建数据库，数据库搭建起来后会对系统程序自动刷新。

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数据输入往往采取周期输入，这更有利于对数据文件进行处理，以后进行数据读取也更加便利[6]。
        2）程序的运行使用。程序的运行过程中主要是通过前期进行数据录入过程中的具体次序来对数据信息进行进一步的利用处理。一般扫描都是从上到下进行的，如果是梯形图则是从左边进，扫描时触点之间会连接成对应的控制线路，按照扫描顺序对控制线路开展相关的逻辑运算，从而实现对录入数据的有效利用，提升系统的工作效率。
        3）数据输出。完成程序处理之后系统的CPU会根据数据与各个环节的实际状况进行对应，在这个过程中会对电路不断地进行刷新，获得最新的状态信息。处于外围的设备需要借助输出电路驱动才能够确保PLC系统中的逻辑发生作用，这实际上是数据信息合理利用的一个过程。
        （2）开关量的逻辑控制
        这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
        （3）模拟量控制
        在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
        （4）运动控制
        PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
        （5）过程控制
        过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
        （6）数据处理
        现代PLC具有数算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
        综上所述，将PLC技术应用于物联网智能插座中具有很大的优势，其不仅可以测量电压、电流、电量等功能，还能实现防雷击、故障报警、感应通断等智能功能。将PLC技术应用于物联网智能插座中，可以保证有线传感网络数据传输的可靠性，解决有线传感网络需要单独布线的问题，并且极大地解决了节能效率低的问题。因此PLC的物联网插座有着很大的应用性。
        参考文献
        [1]胡葛军，王普，方滨，等.基于GSM短信平台的智能信息插座的研发[J].智能建筑，2006，（2）：346-353.
        [2]李英子，张超.对我国建筑节能趋势的预测与分析[J].经济师，2010（3）：20-22.
        [3]卢瑞辉.智能插座电子控制系统设计[J].牡丹江大学学报，2014(10):16-148.
        [4]周萍萍.基于PLC技术实现小型物联网[J].SOFTWARE，2013(31):104-105.
        [5]易志强.基于PLC的小型物联网的实现[J].无线互联科技，2012，（3）：32-33.
        [6]胡斌.基于PLC的排水泵站自动控制系统[J].设备管理与维修2017，19，136-137.
        [7]李伟.基于物联网技术的智能插座设计与实现[J].山东电力技术，2015（6）:55-58.
        [8]陈颖.基于PLC通信的物联网智能插座研究[J].河北保定：河北软件职业技术学院，2016.