天津齊物科技有限公司 曹玉龍

1 引言

自動化設(shè)備是指采用自動化技術(shù)，使設(shè)備能夠在無人干預(yù)的情況下，依照既定指令與程序，自動操作與運(yùn)行的裝置。雖然此類設(shè)備可以滿足生產(chǎn)、生活的個性化需求，但由于受到條件限制，難以利用傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到節(jié)能、降耗目的。因此，需要結(jié)合先進(jìn)的PLC 變頻節(jié)能手段，通過融合傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，提高電氣設(shè)備控制效果，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)。

2 PLC 變頻節(jié)能技術(shù)原理分析

PLC 變頻節(jié)能技術(shù)是指利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，切換工頻電源，使之轉(zhuǎn)換為其他頻率的電能控制技術(shù)，適用于電梯設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等。在企業(yè)生產(chǎn)過程中，由于電氣裝置需要長時間保持高負(fù)荷作業(yè)，導(dǎo)致設(shè)備的性能損耗較為嚴(yán)重，不僅會影響設(shè)備的工作質(zhì)量，也會縮短設(shè)備的使用壽命。而將PLC 變頻技能技術(shù)運(yùn)用在電氣自動化設(shè)備中可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的錯峰運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自動化調(diào)整，確保設(shè)備在動力充足的基礎(chǔ)上，不會出現(xiàn)能源浪費(fèi)。PLC 變頻節(jié)能技術(shù)能夠結(jié)合逆變器，實(shí)現(xiàn)電壓、電流的控制，更好地完成設(shè)備狀態(tài)的調(diào)節(jié)、設(shè)備速度的調(diào)控，從而達(dá)到設(shè)備自動節(jié)能的目的。

3 PLC 變頻節(jié)能在電氣自動化設(shè)備中的運(yùn)用路徑

3.1 電梯系統(tǒng)

3.1.1 運(yùn)用方法

電梯系統(tǒng)屬于電動機(jī)拖動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，電氣自動化裝置類型較多，在運(yùn)行過程中對能源的需求量較高。為實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的低能耗運(yùn)行，需要將PLC 變頻技術(shù)運(yùn)用在相關(guān)設(shè)備的管理與控制上。其中PLC 程序主要負(fù)責(zé)邏輯控制，能夠處理復(fù)雜的信號關(guān)系，并輸出啟停信號，變頻器負(fù)責(zé)將工作狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出至PLC，建設(shè)雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系，達(dá)到利用PLC 變頻節(jié)能技術(shù)減少電梯系統(tǒng)中設(shè)備的能量消耗的目的。通過將PLC 輸入接口模塊與操縱盤、井道等裝置信號連接，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的自動化控制，確保切換、啟動、換速等指令的有效傳輸。電梯啟動后，自身負(fù)載情況會隨之改變，此時電動機(jī)功率呈現(xiàn)小幅度上升，電流值也會隨之提高，具體情況表現(xiàn)為：

由此可見，電流值與電動機(jī)功率始終維持正比關(guān)系，因此電梯在啟動后，會提高電動機(jī)的整體消耗。為解決此類問題，利用PLC 技術(shù)將變動損耗與固定損耗保持相同，確保電機(jī)始終處于良好的運(yùn)動狀態(tài)，具備較好的節(jié)能效果。

3.1.2 案例分析

以基于PLC 變頻技術(shù)的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例為研究對象。

一是硬件設(shè)計(jì)。首先，要設(shè)置信息采樣模塊，將數(shù)字溫度傳感器作為內(nèi)部系統(tǒng)，并結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)作為輸出信息采樣，通過設(shè)置交叉編譯技術(shù)，進(jìn)行內(nèi)部信息的編譯控制。此外，在收集信號的過程中，還要利用助力感應(yīng)器、ARM 處理器，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)定，并做好傳出方向的自動化管理。其次，要安裝數(shù)字傳感器，其作用在于輸出數(shù)字信號，提高電梯對于傳感信息的獲取，強(qiáng)化組網(wǎng)的控制效果。利用傳感器對上位裝置的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能的目標(biāo)。同時還要在轉(zhuǎn)換器中采用AD 芯片，將其作為信息傳輸中心，再通過D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行脈沖控制。最后，要完成繼電器電路的設(shè)計(jì)，其作用在于反映電梯的實(shí)際?？课恢茫勒諏訕切盘栔噶铒@示電梯所在位置，并發(fā)出選擇樓層、召喚消除等指令[1]。

二是要添加PLC 變頻程序。設(shè)定好功能分區(qū)，根據(jù)特定功能完成程序編寫，再進(jìn)行程序整合。一般情況下，需要具備召喚登記、上行或下行的決定、轎廂停止、樓層顯示等功能模塊。當(dāng)PLC 變頻程序運(yùn)行后，程序初始化步驟表現(xiàn)為給數(shù)據(jù)賦予初值，當(dāng)電梯無召喚時，電梯保持靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)出現(xiàn)召喚時，進(jìn)行召喚登記，將信息傳輸至寄存器，通過相應(yīng)運(yùn)算，決定電梯運(yùn)行方向與速度。當(dāng)寄存器樓層數(shù)值與電梯所處樓層數(shù)值不統(tǒng)一時，電梯便會自動運(yùn)行，直至召喚相應(yīng)位置。由此可知，寄存器的設(shè)置情況具有重要的意義，因此在編寫PLC 變頻程序的過程中，可預(yù)先設(shè)計(jì)多個數(shù)據(jù)寄存器，內(nèi)容確定為樓層、上升最近、降低最遠(yuǎn)。若電梯所在樓層與信息和所屬樓層對應(yīng)，則樓層數(shù)字便以數(shù)字化形式，作為數(shù)據(jù)寄放在寄存器中。此外，還要安裝控制輸出指令模塊，其作用在于獲取與電梯節(jié)能控制有關(guān)的信息，并作為電路穩(wěn)定性試驗(yàn)因子，具體控制輸出指令表達(dá)式為：

式中，e、c、d 分別為電梯節(jié)能控制信息獲取需要統(tǒng)計(jì)的特征量；U 為電梯檢測時的電平輸出值。

通過對基于PLC 變頻技術(shù)設(shè)計(jì)的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，電梯能夠?qū)崿F(xiàn)較佳的節(jié)能控制效果。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)

3.2.1 運(yùn)用方法

空調(diào)系統(tǒng)同樣要采用大量電氣設(shè)備，能源消耗與電梯系統(tǒng)相比較高，因此需要融合PLC 變頻節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)?？照{(diào)系統(tǒng)的組成成分以水系統(tǒng)與風(fēng)系統(tǒng)為主，采用變頻技術(shù)，搭配電動閥，達(dá)到水系統(tǒng)流量的在線調(diào)整的目的，實(shí)現(xiàn)冷熱水管的獨(dú)立運(yùn)營，使兩者可以通過多個的管道做到分別流入。其中，主管道采用異程式結(jié)構(gòu)，是指總立管與分立管構(gòu)成的循環(huán)環(huán)路總長度不相等的布置形式，此類系統(tǒng)的優(yōu)勢在于管路簡單，無須設(shè)置回程管，能夠大幅度節(jié)省管材。支管道則要采用同程式法完成建設(shè)，同程式是指總立管與分立管構(gòu)成的循環(huán)環(huán)路總長度一致的系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于增加了回水管長度，能夠保證環(huán)路間的壓力損失易于平衡，使熱量分配易于達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時，還要在空調(diào)分水器環(huán)路供水管上布設(shè)平衡閥，至于在支管上則要安裝鎖定平衡閥。此時，當(dāng)冷水系統(tǒng)出現(xiàn)流量變化，相應(yīng)支管不會被破壞平衡狀態(tài)，有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在制冷功能正常使用的同時，充分發(fā)揮供暖作用[2]。

在風(fēng)系統(tǒng)中的變頻節(jié)能措施則表現(xiàn)有幾方面。一是安裝風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，其作用在于夏天制冷、冬天制熱；二是安裝新風(fēng)系統(tǒng)，其作用為夏季制冷、冬季停運(yùn)。若風(fēng)量在5000m3/d 以上，則PLC 變頻節(jié)能技術(shù)會通過給定程序第一時間啟動熱回收設(shè)備，且空調(diào)新風(fēng)會將風(fēng)閥與風(fēng)機(jī)有機(jī)結(jié)合，將回風(fēng)調(diào)節(jié)閥、送風(fēng)調(diào)節(jié)閥作為風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。具體的PLC 技術(shù)應(yīng)用模式有幾方面。管道存在方式，其中水系統(tǒng)的整體架構(gòu)為采用異程式，而在風(fēng)系統(tǒng)方面，其架構(gòu)形式表現(xiàn)為同程式；裝置方面，水系統(tǒng)采用數(shù)字鎖定平衡閥，并進(jìn)一步搭配動態(tài)平衡閥，通過智能軟化裝置實(shí)現(xiàn)控制，能夠起到空調(diào)水泵電壓動態(tài)調(diào)節(jié)的作用。在風(fēng)系統(tǒng)方面，則使用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

3.2.2 案例分析

以某地方城市的地鐵空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，闡述節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其環(huán)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地鐵站環(huán)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，要進(jìn)行回排風(fēng)機(jī)的變頻控制，根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，若地鐵站現(xiàn)場存在兩臺功率一致的回排風(fēng)機(jī)，則兩者均可在變頻狀態(tài)下正常使用。若回排風(fēng)機(jī)采用變頻控制，則可以充分結(jié)合站廳的溫度，進(jìn)行二氧化碳濃度的比對，確保各項(xiàng)參數(shù)維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功率調(diào)節(jié)，并通過智能控制算法，調(diào)整回風(fēng)閥開度，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率符合安全標(biāo)準(zhǔn)，減少無用功的損耗。例如，當(dāng)風(fēng)機(jī)額定送風(fēng)量不超過回排風(fēng)量時，施工現(xiàn)場的回排風(fēng)機(jī)能夠做到維持工頻運(yùn)行，而其中一臺則實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。如果出現(xiàn)風(fēng)機(jī)額定送風(fēng)量超出回排風(fēng)量的情況，則要及時關(guān)閉風(fēng)機(jī)，將另一臺設(shè)置在變頻狀態(tài)運(yùn)行[3]。

其次，要實(shí)施空調(diào)機(jī)組與水系統(tǒng)的變頻控制。通常來說，設(shè)計(jì)人員需要充分結(jié)合地鐵站內(nèi)負(fù)荷水平，比對風(fēng)量需求與水量需求，實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)節(jié)，將風(fēng)機(jī)與水泵輸配系統(tǒng)作為重點(diǎn)節(jié)能對象，因此若想更好地分析站內(nèi)電量的消耗狀況，便要做好設(shè)備的類型分配，進(jìn)行車站負(fù)荷的初步預(yù)測，設(shè)定好自動化裝置的運(yùn)行狀態(tài)，減少系統(tǒng)運(yùn)行成本。同時變頻空調(diào)機(jī)組主要用于站臺溫度的調(diào)控，能夠依照溫度反饋信息實(shí)現(xiàn)設(shè)備送風(fēng)量的調(diào)節(jié)。例如，利用PID（比例－積分－微分控制器）控制方法，PID 控制中的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以將被控對象的輸出返送回來，進(jìn)而影響控制器輸出，能夠自行判斷設(shè)備的能耗狀況，并在達(dá)到臨界值時自動切斷電源。同時，也能夠在比例、積分、微分的控制過程中，消除穩(wěn)態(tài)誤差，預(yù)測并改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時的動態(tài)特性。當(dāng)空調(diào)送風(fēng)量降低至一定標(biāo)準(zhǔn)后，再實(shí)現(xiàn)冷凍水流量的調(diào)節(jié)，至于調(diào)節(jié)閥的開度大小設(shè)置則要充分結(jié)合進(jìn)出水管的溫度差。同時，在采用變頻節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷水泵的控制時，應(yīng)充分考慮水泵水壓差，結(jié)合數(shù)據(jù)參數(shù)完成運(yùn)行頻率的計(jì)算。水泵中的冷量與水量無實(shí)際聯(lián)系，因此水量會延緩冷量變化，出現(xiàn)小溫差、大流量的問題。為此，需要采用分時段控制的方法進(jìn)行冷凍水溫差的調(diào)控，將溫度傳感器作為輔助控制，確保水系統(tǒng)可以根據(jù)溫度以及季節(jié)的差異性，實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)整，達(dá)到節(jié)能的目的。

最后，要實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的變頻節(jié)能改造，不僅要增加變頻設(shè)備，還要在控制系統(tǒng)中添加變頻控制程序，利用高度集成人機(jī)界面、PLC 的方式以及融合變頻參數(shù)與監(jiān)控功能的方法，使監(jiān)控系統(tǒng)可以自動獲取變頻控制數(shù)據(jù)，并上傳至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)車站溫度的自動調(diào)節(jié)，滿足車站的節(jié)能要求[4]。

3.3 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)是指以提供照明為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，能夠利用計(jì)算機(jī)、無線通信、智能化信息處理、電器控制等技術(shù)，打造分布式遙測，實(shí)現(xiàn)照明應(yīng)用的安全性、便利性與舒適性。在使用過程，要采用大量電氣自動化設(shè)備，但仍會出現(xiàn)能源浪費(fèi)。為解決此類問題，需要將PLC 變頻技術(shù)運(yùn)用在照明系統(tǒng)中，提高電子鎮(zhèn)流器的配置效果，要求其恢復(fù)速率超過0.9，色溫在4000～6000K，光源顯色指數(shù)超過85，以此對照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。例如，會議室的照明功率密度為9.1W/m2；餐廳的照明功率密度為6.3W/m2辦公室的照明功率密度為9.8W/m2。根據(jù)上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，PLC變頻技術(shù)的節(jié)能效果明顯，并且能夠進(jìn)一步提高光照效率，延長設(shè)備的使用壽命。PLC 變頻技術(shù)還能產(chǎn)生降低燈具瓦數(shù)的效果，依托LED 燈源，替代照明燈源，能夠有效防止電能的過度損耗，通過在照明箱中安裝HW 模塊，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的可變調(diào)節(jié)，并減少不必要的電能損耗，具體的照明量計(jì)算方法為：

式中，W、T、E 分別代表照明燈額定功率、照明時長、照明亮度，至于A 則表示照明面積，而U則表示照明率，F(xiàn) 是指照明光束長度。

可以準(zhǔn)確計(jì)算照明量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，PLC 變頻技術(shù)在不同的季節(jié)使用，會在節(jié)能效果上表現(xiàn)出一定差異性，但在電氣設(shè)備的節(jié)能水平上，能夠保持30%以上。因此，將PLC 變頻技術(shù)運(yùn)用在照明系統(tǒng)中具有一定的推廣價(jià)值[5]。

4 結(jié)語

本文通過對PLC 變頻節(jié)能技術(shù)原理展開分析討論，闡述PLC 變頻節(jié)能在電氣自動化設(shè)備中的運(yùn)用路徑，以此促進(jìn)電氣自動化設(shè)備的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，減少不必要的能量損耗，延長設(shè)備的使用壽命，實(shí)現(xiàn)電氣企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。