电气专业毕业设计选题与实现：从PLC控制到智能配电系统的深度解析
摘要：许多电气专业学生在毕业设计阶段面临选题空泛、技术栈陈旧或工程落地性差的问题。本文聚焦工业自动化与智能配电方向，结合现代控制理论与嵌入式系统，提供一套可复用的技术框架：涵盖PLC逻辑设计、Modbus通信协议集成、能耗数据采集及可视化方案。读者将掌握符合工程规范的设计流程，提升系统稳定性与答辩竞争力。
1. 毕业设计常见痛点
- 仿真脱离硬件：只跑 MATLAB/SSP，没有真实 IO 验证，答辩时被一句“现场能跑吗？”问倒。
- 控制逻辑不闭环：写了 PID，却缺限幅、缺抗积分饱和，现场一上电就震荡。
- 通信协议“纸面化”：Modbus 地址表写得漂亮，结果 RTU 与 TCP 混用，字节序错位，数据全飘。
- 能耗数据“拍脑袋”：电流互感器量程选 100 A，实际负载 2 A，精度直接掉到 3 % 以下，论文却写“误差小于 1 %”。
- 图纸与实物两张皮：EPLAN 画两层端子，柜里却捆成一把，接地线比信号线还长，EMC 测试必挂。
2. 主流技术路线对比
| 方案 | 核心组成 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 传统继电控制 | 接触器 + 热继 + 按钮 | 直观、便宜 | 改线麻烦、体积大 | 老旧泵站、教学模型 |
| PLC+HMI | S7-1200 + KTP700 | 模块化、梯形图易维护 | 成本高于继电器 | 工厂照明、小型产线 |
| 嵌入式+边缘计算 | STM32 + FreeRTOS + 4G | 协议灵活、可跑 AI 推理 | 开发门槛高、认证麻烦 | 分布式配电、能耗云 |
毕业设计若追求“落地+展示”，推荐 PLC+HMI 作主干，再用树莓派或 Node-RED 做数据上云，兼顾稳定与可视化。
3. 实战案例：智能照明/配电监控系统
3.1 需求拆解
- 控制：8 路 220 V 照明回路，定时+光感+远程三模式。
- 监测：每路电压、电流、有功功率，刷新周期 1 s。
- 告警：过压 > 242 V、欠压 < 198 V、过流 > 10 A，声光+微信推送。
- 可视化：局域网 Web 页，手机、电脑同屏，历史曲线可查 7 天。
3.2 硬件选型
- PLC：西门子 S7-1212C AC/DC/Rly，自带 8 DI/6 DO，价格 < 1 k。
- 扩展：SM 1231 4×AI 接收 0-10 V 变送器；SM 1232 2×AO 可接调光。
- 电量采集：乐清 DTS634 三相表，RS485 口，Modbus RTU，精度 0.5 S。
- 通信：西门子 CM 1241 RS485 模块 + 工业级 4G 路由器（USR-G806）。
- 执行：欧姆龙 G2R-2 继电器，线圈 220 V，触点 16 A，带灭弧罩。
- 机柜：仿威图 300×400×160 mm，底板 + 行线槽，配 24 V 开关电源。
3.3 软件栈
- PLC：TIA Portal V17，梯形图 + SCL 混编。
- 上云：Python3 + pymodbus，转 MQTT 到本地 Mosquitto。
- 前端：Node-RED Dashboard，拖拉 20 分钟出图。
- 版本：Git + .gitignore 过滤.ap* 文件，仓库 < 30 M。
3.4 通信拓扑
4. 关键代码片段
4.1 PLC 梯形图核心逻辑（文字注释）
网络 1：光感阈值判断
- AIW64 接入光敏 0-10 V，标定 0-2000 lux 对应 0-27648
- 当 AIW64 < 553（约 40 lux）且“手动/自动”=自动，置位 M10.0（夜灯允许）
网络 2：定时区间
- 读取 RTC，小时存入 MB20
- MB20 ≥ 18 或 MB20 ≤ 6 → 置位 M10.1（定时允许）
网络 3：输出使能
- M10.0 与 M10.1 任一真 → Q0.0 线圈得电，驱动继电器
- 加入 2 s 延时断开，避免车灯瞬间遮挡误关
4.2 Python 侧 Modbus 读取脚本（RTU 转 MQTT）
#!/usr/bin/env python3 import time from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as rtu import paho.mqtt.client as mqtt RTU_PORT = '/dev/ttyUSB0' SLAVE_ID = 12 MQTT_BROKER = '127.0.0.1' cli = rtu(method='rtu', port=RTU_PORT, baudrate=9600, timeout=1) mq = mqtt.Client() mq.connect(MQTT_BROKER, 1883, 60) while True: rr = cli.read_holding_registers(0x0000, 10, unit=SLAVE_ID) if not rr.isError(): U, I, P = rr.registers[0], rr.registers[1], rr.registers[2] mq.publish('panel/U', f'{U*0.1:.1f}') mq.publish('panel/I', f'{I*0.01:.2f}') mq.publish('panel/P', f'{P*0.1:.1f}') time.sleep(1)5. 系统可靠性、抗干扰与调试
- 电源隔离：PLC 供电经 1:1 隔离变压器，现场零地电压 < 2 V。
- 通信隔离：RS485 采用 ADM2483 磁耦芯片，波特率 ≤ 19.2 kbps，双绞屏蔽层单端接地。
- 软件看门狗：PLC 每 500 ms 复位一次 WDT，Python 脚本异常则 systemd 自动重启。
- 调试顺序：先脱载，再阻性负载，最后感性负载；每步记录电流波形，确保继电器无粘死。
- EMC 快脉冲测试：±2 kV，5 kHz，系统不死机、通信误码率 < 10-6。
6. 避坑指南
- 接地规范：柜内 PE、N 分开排，禁止信号线与动力线同槽，弯曲半径 ≥ 电缆外径 6 倍。
- 信号隔离：0-10 V 模拟量线路与 220 V 交线路平行间距 ≥ 100 mm，交叉走 90°。
- 版本管理：TIA 项目用“项目副本”功能，每次改线生成 ZIP 备份，命名规则 v1.0.0_YYYYMMDD。
- 继电器降额：阻性负载按 60 % 选，感性负载按 30 % 选，并并 275 V 压敏电阻。
- Modbus 地址：保持寄存器从 40001 开始，文档与程序严格一致，避免“偏移 1”惨案。
- 云端时标：MQTT 消息带 Unix 时间戳，前端按浏览器时区转换，杜绝“时间对不上”尴尬。
7. 最小可行原型 & AI 拓展思考
- 用 Arduino UNO + 4 路继电器模块 + YL-38 电流传感器，成本 < 150 元，即可复刻 2 路灯控。
- 把上述 Python 脚本换成 MicroPython，直接跑在 ESP32 上，Wi-Fi 原生，省掉 4G 路由。
- 采集 7 天数据后，用 scikit-learn 训练随机森林，预测未来 1 h 能耗；当预测值 > 阈值 1.2 倍，提前降功率或切非必要回路，实现“零代码 AI 节能”。
- 若想做“边缘 AI”，可把 TensorFlow Lite 模型量化后丢到 ESP32-S3，本地推理延迟 < 200 ms，云端只负责下发模型，隐私与实时兼得。
8. 写在最后
毕业设计不是“论文作业”，而是把课堂知识焊进 PCB、写进梯形图、跑在真实电流里的第一次工程演练。做完你会发现：最值钱的能力不是画多漂亮的图，而是当灯不亮、数据乱跳时，能一步步把故障定位到“那根没压紧的冷压端子”。希望这套框架能让你在答辩时，把示波器波形往桌上一摆，老师点头的那一刻，心里踏实——“系统我亲手跑过，电流我亲手测过，误差 0.8 %”。剩下的，就是把它开源到 GitHub，写清楚 README，让学弟学妹继续迭代。
