自动化控制中弱电控制强电的方式之研究
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摘 要：随着我国自动化技术不断发展，在电气自动化控制系统中，弱电控制强电的作用十分明显，包括便于操作、容易控制、安全性较高，因此在自动化控制系统中的应用十分广泛。基于此，本文首先提出弱电和强电的定义，并结合案例探究自动化控制中弱电控制强电的方式。
关键词：自动化控制;弱电;强电;控制方式;发展现状
在自动化控制系统运行中，科学利用弱电的控制性十分重要，其不仅能够利用零散的技术方式实现强电控制，还有助于提高系统的自动化水平，提高弱电控制强电的运行效率，最大程度上减少弱电控制强电的危险性。自动化控制系统主要是应用电气控制，而弱电控制主要是应用OPC的开放性平台，关注日常技术操作优化，结合电气控制技术进行多样化操作。如PLC技术可以实现多样化操作，可以根据生产标准进行编程，从生产出多类产品。在编程当中，利用PLC系统中各类技术差异，为自动化系统弱电控制强电创造了优越条件，提出了新的标准电气接口。再者，标准化电气接口也促进了标准化操作规范，可以进一步对自动化平台优化，采用计算机技术，利用双向传输方案完成总线布置，总线系统方面构建电缆、远程控制串联机制，这样就可以显示弱电控制强电的信息。
1 相关概念阐述
1.1 弱电与强电
在自动化控制领域当中，系统中分为弱电和强电。其中，强电电压通常在220V以上，主要是电气设备用电，具有电压高、工作电流大、功率大、工作频率低等特点;弱电电压通常小于36V，一般是指传输、交换信息的电信号[1]。弱电作为一种相对安全的电压，相比强电具有更广泛的应用领域。如智能手机就是采用弱电电压。弱电具有使用电压小、工作电流低、功率小、工作频率高等特点。也正是弱电的这些特点，让弱电的使用变得更加简单，再加上弱电工作电压低，使用时的安全性更高。这也是利用弱电控制相对危险强电的好处之一。
1.2 弱电控制系统
弱电控制系统采用自动化技术，其中的核心是单片机，负责控制整个弱电控制系统的运行。在整个弱电控制系统当中，主要包括衔接单片机、可控硅、光电耦合器等元器件，从而实现弱电控制强电功能。如在控制水温中可以采用较为灵敏的弱电单片机形式对高压电进水温度进行控制，并且实践应用中控制效果也非常理想。
自动化控制当中，弱电控制强电当中通过单片机达到传感互动目标。单片机本身就带有高度敏感特征，因此可以对一些实时动态情况进行有效监控，一旦出现情况可以立即做出反应，如可以明确判断弱电控制元器件的温度、电流强度，或是利用时钟和复位电路提升单片机的运转效率。在实际应用中，要可以正确的选择电路形式，这样可以有效提升弱电控制强电的效率。
在电路种类选择方面，弱电控制强电对电路种类要求非常高。如在加热电路建设当中，需要单片机基极和三极管发射极串联5V电源，这样才能够确保光电耦合器、采集信息同步传递到同一个脚接地部位，确保温感器温度达到一定程度时更好的将信号传递到单片机当中，这样单片机在输出较低电瓶中停止加热。
2 案例应用介绍
某动车组占空比为50%，尾灯部位在独立尾灯闪烁控制电路。在整个自动化电路系统当中，列车控制系统TCMS可以每隔0.5s时间发送一次固态继电器（SSR）控制信号，在光电转换完成之后，有效在SSR晶体管中导通，系统中可以实现两个尾灯供电电路导通，尾灯的电量时间持续0.5s。此时TCMS控制信号自动断开，SSR处于失电状态，尾灯的供电电路断开，尾灯熄灭[2]。通过该逻辑循环操作运行，就形成了尾灯闪烁效果。该设计方案可以延长SSR使用年限，确保运行频率、瞬时响应速度满足标准，相比普通的设计方案安全可靠性更强、响应速度更快，有效延长了维护间隔时间，保证了自动化系统的运行效益。
在整个尾灯自动化控制系统当中，通常是用一个信号控制各干接点通短实现强电控制。本案例控制系统中，主要是采用了继电器、可控硅、SSR实现控制。结合整个系统的运行功率大小、是否感性负载等选择电路。尾灯电路要考虑光耦隔离、电平控制等。整个自动控控制系统可以分为检测系统、控制系统、伺服系统以及辅助系统构成。其中，控制系统用于自动化控制系统的运算、管理、控制，通过输入介质得出相关数据，对这些数据进行转码、分析并作用于控制系统;伺服系统是根据控制系统指令下达操作命令，让控制系统可以按照系统设定标准规定运动;检测系统主要是测试电气设备的运行变量，并将所检测的数据信息传输到输入端，和输入指令进行对比，PLC根据对比差别调整操作参数。通过以上多个系统共同加强弱电控制强电的安全性，保证自动化控制系统正常运行。
3 自动化控制中弱电控制强电的实现方法
在上述案例设计中，由于列车对弱电控制强电的依赖性非常强，这也决定了列車电路系统自动控制的发展趋势，同时在实际应用中还要重点考虑是否足够安全，最终设计人员决定采用弱电控制强电的方案，从而提高环境、操作者的使用安全。在弱电控制强电中，需要先建设自动化平台、进而加强弱电控制强电、最后完善整个自动化控制系统功能。其主要实现方法为：
3.1 自动化平台建设
3.1.1 开放式平台建设
自动化控制系统要有开放式平台作为支撑，本案例中主要是应用了OPC平台和Windows系统构建的弱电控制强电专业平台，采用了列车专门的电气控制技术，从而有效的达成了预期控制效果，构建了电气自动化控制中弱电控制强电的开放环境。
3.1.2 IEC61131接口标准化
在过去，列车自动化控制系统采用PLC技术需要构建相应的标准，而全球PLC生产企业所生产的PLC系统内多大400多种，并且这些PLC产品由于编程方案不同，因此接口标准也存在着一定差异，想要实现全面兼容十分困难。在现在，IEC61131接口标准化机制提出后，有效解除了接口差异问题，国内外大部分PLC厂商均采用IEC61131接口标准[3]。本案例的自动化系统设计中，采用了最新的PLC技术，也同时采用了IEC61131标准接口，实现了自动化控制功能的扩充，通过采用可以连接该接口的设备，即可实现相应的自动化操作功能，并且也可以实现弱电控制强电。 3.1.3 Windows标准平台建设
在案例自动化控制系统设计中，采用了微软的电气自动化控制的Windows运行机制。该运行机制不仅应用范围广泛，同时能够实现的功能非常多，不仅可以实现自动化控制，还可以融合传感技术、网络技术实现实时监控和数据采集分析。整个Windows标准化建设平台中，以人工智能技术为基础，构建人机交互界面，简化了Windows系统操作流程，融合并集成了操作平台和办公平台[4]。通过将这些技术集成，可以有效控制列车自动化控制系统中弱电控制强电的效能。
3.1.4 现场总线与控制系统
案例中将电气自动化技术应用到现场总线与控制系统当中，在自动化系统双向传输设备中连接现场总线，通过连接串行总线和总线结构，实现了PLC系统、CPU核心、远程I/O站与串行电缆连接，进一步提升了系统的继承性能，有效连接智能仪表、低压断路器，可以有效采集列车尾灯运行信息，并传输到控制器中，完成整个系统的尾灯自动控制操作流程。
3.2 弱电控制强电方法
案例中的弱电控制强电主要是通过单片机加上SSR组合的控制方法，这样不仅可以实现自动化控制，同时也能够保证整个系统的运行安全。其主要表现在：
3.2.1 单片机控制
单片机作为弱电控制强电的主要方法，而单片机也是实现自动化控制的必然设备，具有抗干扰能力强、体积小、重量小等特点。在列车尾灯控制系统设计中，主要是利用传感器设备，在能够有效测量车辆转速、系统电流、设备电压、运行温度、环境湿度的基础上，有效传输信号数据，单片机负责接收和处理这些采集数据信息，并将系统判定结果下发，实现尾灯控制。在整个运行过程中，整个自动化控制系统中设置尾灯闪烁间隔为0.5s，通过采集最新信号与设定标准进行对比，判断车辆尾灯闪烁频率是否达到了0.5s，并根据对比结果做出结论，并下达自动控制指令。在通过单片机实现弱电控制强电时，系统运行惯性可以在温度、液体的运行数据被反映，所以必须要在明确掌握此类问题的基础上，全面提升控制方法的合理性。
3.2.2 固态继电器控制
案例车组的电气控制系统中，主要是采用了固态继电器SSR进行控制，该无触点开关组成部分主要是涵盖了电力电子功率器件、微电子电路、分立电子器件，主要负责隔离控制端、负载端，SSR可以有效保证弱电控制强电的安全性。控制信号与固态继电器输入端较小，可以对大电流负载进行直接驱动，并且在应用固态继电器中，还可以简化传统继电器的操作流程，进一步提高了控制系统的运行效率、减少了各类限制性因素。通过对SSR分析可知，作为一种半导体元件，其主要特点就是无触点，拥有较低的输入控制电压，可以配合单片机使用。在输入、输出过程中，为了保障弱电控制强电效果，系统采用了光电隔离固态继电器，并拥有超过了2000V隔离绝缘，确保高压电路始终处于安全运行状态。案例中列车自动化控制系统应用SSR，在实际运行中表现出运行时间长、噪声小、反应灵敏、输入与输出高于2500V绝缘电压，可以有效满足列车自动化控制系统的安全运行要求[5]。此外，在案例列车自动化控制系统设计中，还要注意的事项包括：（1）散热设计。由于列车的运行速度快、运行环境恶劣，电气设备温度、运行环境会对SSR负载能力造成很大影响，在实际设计当中通过利用散热片，确保设备运行空间充足，系统中还设置了风扇，可以强制性散热，如果强制散热依然无法降低温度，则自动化系统会自动降频运行。（2）主流在通过SSR后，会产生压降现象，低压选型过程中，结合列车自动化控制系统运行压降做好低压设备选型，保证二者相匹配。（3）SSR实际应用中会产生部分漏电流，在实际运行中一旦功率负载较小，则SSR控制系统可以确保负载不会受到热点刘影响，处于可控状态。
3.3 弱电控制强电的功能完善
3.3.1 系统内部形成电路
列车自动化控制系统在设计当中，为了能够进一步提高运行安全性和有效性，从电源方面进行了进一步完善。电源部分是由稳压管、整流桥、电容、变压器组成。在自动化控制系统正常运行当中，电源可以提供相对平稳的电压，其内部的交流电、直流电正常相互转化。在此过程中，单片机的运行电压趋于稳定。系统运行中整流桥负责电压转化任务，并发挥电容滤波、稳压管的作用，有效抑制了直流电压，这样所获取的电压则更加稳定。为了能够发挥单片机作用，列车自动化系统中加入了温控元件，可以实时获取传感器采集的运行温度数据，单片机收集数据可以及时反馈信息。
此外，自动化系统中还设置了一些其他的类型元件，如RISC元件，可以直接处理各类的模拟信号，从而实现自动化控制目的。系统中单片机中可以发挥模数转换功能的多通道装置，能够有效调制系统运行参数，输出多个脉冲宽度。再者，单片机中还设置了唤醒功能、暂停功能，可以有效对A/D系统进行处理，实现低功耗、高性能的目标，并加强整个系统的集成性[6]。
3.3.2 测温和电路加热
单片机与温感器、定值电阻连接，并构建测温所需的分压电路，实现测温功能。在动态变化当中，传感器是非常重要的设备，可以检测到电压变化规律、阻值变化规律。单片机还可以实现系统分压测试功能，对加热过程是否达标进行有效判定。单片机和三极管相互连接，用于对加热电路控制，让整个PLC系统可以正常运行[7]。
列车尾灯控制系统以上述设计为前提，并增设了光电耦合器MOC3023、可控硅BTA16，构成更加完整的自动化控制系统，加强整个系统控制。三极管直接和5V弱電系统连接，同时连接到发光二极管上，构成了整个尾灯的基本电路模式。光电耦合器在实际运行中会持续输出信号，可控硅也可以在较短的时间进入到正常运行状态。可控硅的阴极、阳极可以控制加热器元件PTC加热，在温度达到了一定标准之后，温感器可以将信号传输给单片机，单片机1脚输出低电平，让加热部分停止工作，反复如此即可实现保持恒温。 4 自动化控制中弱电控制强电的发展方向
随着我国科学技术不断发展，在很大程度上推动了我国控制系统自动化建设水平，如今多功能单元电力系统已经逐渐取代了传统的单一控制模式，多线监控在很大程度上也取替了单项监控。但是弱电控制强电方案依然不够成熟，包括控制网络结构通用性差、程序接口标准有待进一步统一等。本文认为，未来弱电控制强电的发展方向表现在以下两个方面：
4.1 控制网络结构通用化
为了能够保障自动化控制现场设备同时与企业管理保持通信畅通，需要构建一个通用的控制网络结构。通用控制网络结构可以进一步集成控制系统功能，让整个系统不臃肿。通用控制网络结构，能够减少远程监控设备的信号延迟，提高系统的整体运行效能，保证系统运行安全。因此，未来还需要进一步加强控制网络结构的通用性，以通用的网络结构实现弱电控制强电功能，这样才能够有效的减少网络通信弊端。
4.2 标准化程序接口
虽然很多PLC厂商都开始使用IEC61131接口，从而更好的实现自动控制系统的运行功能。标准化接口不仅能够降低自动控制系统建设时间，还可以降低整个系统的开发成本，便于自动化控制系统和监控系统间的信息转化与共享。但从市场实际情况来看，市场中生产商的产品依然是多元化接口，部分硬件设备与IEC61131接口不匹配[8]。所以，未来要进一步确定PLC的接口标准，同时也要根据PLC标准接口实现接入设备接口的标准化，确保可以充分发挥自动控制系统的功能。
5 结语
综上所述，自动化控制是电气领域的重要发展趋势，其中弱电控制强电是需要重点考虑的内容。在弱电控制强电过程中，通过构建自动化平台、构建弱电控制强电系统、对现有系统进一步完善，可以有效实现自动化控制功能，同时保障弱电控制强电的安全性、穩定性。本文提出了列车尾灯弱电控制强电的自动化控制方案，在实际应用中可以保证尾灯运行的稳定性，并且可以实现自动化调控，能很好的满足实际使用要求。
参考文献：
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[6]姜凯文，潘兴民.自动化控制中弱电控制强电的方法分析[J].科技创新导报，2017，14（33）：114-115.
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[8]陈庭宇，桂姝，龚宗辉.谈弱电控制强电的应用[J].现代妇女（下旬），2014（3）：192-194.
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