基于PLC的校园节能供电系统智能设计

胡建华

摘 要：节能减排是国家一项长期的基本国策，校园用电具有区域性和时间性相结合的特点，以PLC为核心对校园的供用电网进行改造是一项节约电能的可行措施。

关键词：节能 FX2N PLC FX2N—2AD模块 昆仑通态触摸屏

节能减排是国家一项基本国策，国务院最近颁布的《节能减排“十二五”规划》中提到，对于电能的节约，采取的措施是发展热电联产，加快智能电网建设。笔者认为，对于中职学校而言，在节能管理措施上，除了加强对学生的节能意识和用电管理规范教育外，最行之有效的途径是采用技术手段节能，以可编程逻辑控制器（PLC）为核心对校园的供用电网进行改造是一项节约电能的可行措施。

一、校园概况分析

校园用电具有区域性和时间性相结合的特点。传统的供电都是以人工控制为主，由于人为疏忽等原因造成的电能浪费则不可避免。近几年来，随着更多先进的教学设备和仪器的添置，使用过程中造成的电能浪费更不容忽视。为了节约用电，加强学生管理，强化学生按照学校规定进行学习和作息，我们把校园按照区域进行划分，以PLC为核心实现各个区域供电的控制。以笔者所在学校校园为例，校园总体可以划分为如下几个主要用电区域：教学区包括教学楼、图书馆、办公楼和实训楼；生活区包括学生宿舍楼、学生活动中心、食堂；公共区包括校园操场路灯、走道的路灯。

教学区，教学楼、图书馆、实训楼的供电是学校教学工作正常进行的有力保障。从节约角度考虑，其供电改造可分两路来控制：一路为教室、实训车间、实验室、图书室的照明设备、多媒体教学设备、机床设备的供电，在日常教学期间应连续供电，待学生晚自习结束后则无需供电，具有时间性，可以采取三菱FX2N系列PLC的时钟数据运算指令编程来实现时间段控制；另一路为空调的供电，空调一般是在夏冬季节由温度的高低来决定是否使用，可以采取温度传感器和三菱FX2N系列PLC的模拟量输入模块FX2N—2AD来实现控制。办公楼的供电要保证行政、办公工作的正常开展，考虑到办公楼的使用者是学校管理者和教师，能自我管理，并且有加班等情况存在，工作时间不统一，所以对于办公楼的供电无需改造，24小时供电，由各办公室独立管理。

生活区主要是管理好学生宿舍，营造一个良好的学生休息娱乐区，保证学生有充沛的精力。根据学生和学校的实际情况，在一天作息的几个休息时间，宿舍楼、学生活动中心应保证供电，也具有时间性。因此，其供电改造也可分两路来控制：照明电源的供电采取三菱FX2N系列PLC的时钟数据指令编程控制，空调电源的供电采取由温度传感器和三菱FX2N系列PLC的模拟量输入模块FX2N—2AD来实现控制。

公共区应该按照光线强弱来决定供电，以保证公共场所的照明，方便师生的生活。特别是道路、走廊等场所，必须在光线不足的时候就自动启动，方便生活，其供电改造可以用光电传感器加PLC来实现控制。当光线不足时，启动相应的控制程序来控制，为防止同时启动造成较大的电网冲击，可以设定各部分按一定的时间间隔顺序得电，减小对电网的冲击。

另外，由于夏季高温天气到来较早，在夏季用电高峰期，必须要考虑到整个校园电网供电变压器出现超负荷的情况。学校的干式电力变压器型号SGB10-400/10，额定容量S为400kVA，一旦出现超负荷情况，会严重影响学校正常的教学秩序，因此要做到对变压器的实时监控。

按照需要系数法计算，教学楼空调电源的电流总和为119.2A，因此，通过观察配电房中配电柜上电流表的读数，断开教学楼、图书馆、实训楼、办公楼、宿舍楼、学生活动中心的空调电源，从而保证教学区和生活区照明设备电源的正常供电。

学校一天的作息时间表如下。宿舍起床时间：07：00～07：35；上午早自习及上课时间：07：40～11：35；午休寝室开放时间：11：35～13：20；下午上课时间：13：30～15：10；下午放学寝室开放时间：15：10～18：20；晚自习时间：18：30～20：15；晚自习结束后寝室开放时间：20：15～22：00；22：00～07：00寝室关灯休息。综上所述，学校校园区域控制总体逻辑关系应为：7：35～20：20，教学区和公共区供电，生活区停止供电，其余间隔休息时间则相反，而应季节气候之变，生活区空调应有所调控。

二、校园供电网络改造的具体实施（以教学楼、宿舍楼为例）

1.供电改造思路设计

在上课时间段，即07：40～20：15之间，各教室照明、多媒体教学设备的电源应供电，但为了提前准备和适当缓冲，程序编写时相应提前和延后5分钟，即在07：35～20：20供电电源应接通，其余时间断开。在寝室开放时间段，即07：00～07：35、11：35～13：20、15：10～18：20、20：15～22：00，各寝室照明设备的电源应供电，其余时间断开；教室和寝室空调电源的供电应根据温度决定，设定在温度高于30℃、低于5℃时空调电源应供电，其余温度下则断开。每年寒暑假季节，教学楼、宿舍楼不需要供电，将配电控制柜中的空气开关拉闸即可。

2.硬件改造

（1）供电电源部分的接线改造。采用在配电柜的空气开关下端串联交流接触器的方法来实现控制。

（2） PLC控制部分的接线改造。用各PLC输出软继电器的状态来控制交流接触器的线圈得电失电。

3.程序设计

（1）照明设备供电电源的控制程序。三菱FX2N系列PLC实时时钟的时间数据存放在寄存器D8013～D8019中，D8018～D8013分别存放年、月、日、时、分和秒，D8019用以存放星期。例如，用于改造教学楼电网的PLC，在照明供电改造的程序编写中，用D10～D12存放时间07：35，D13～D15存放时间20：20。通过万年历数据读取指令TRD，将万年历实时时间数据读出到D6～D0，用TZCP比较指令将D5～D3寄存器中的时间与D10～D12、D13～D15的时间进行比较，然后在07：35～20：20时间段，通过辅助继电器M1得电去置位用于改造教学楼电网的PLC输出软继电器Y0～Y3，Y0～Y3得电后使交流接触器KM1～KM4的线圈分别得电，其各自的常开主触点吸合分别去控制教学楼各教室照明、电视、多媒体教学设备的单相供电电源；同样，将D5～D3寄存器中的时间与D10～D12、D13～D15等时间进行比较后在对应的时间段，通过辅助继电器M1、M4、M7、M10的得电去置位用于改造宿舍楼电网的PLC的输出软继电器Y0～Y3，Y0～Y3得电后交流接触器KM10～KM13的线圈分别得电，其各自的常开主触点吸合分别去控制宿舍楼各寝室照明单相供电电源。endprint

PLC内部万年历实时时间的设置，可以在打开GX Developer软件并输入梯形图程序后，点击“在线”工具栏，在下拉菜单中点击“时钟设置”，将PLC内万年历时钟设置成与计算机同步的当前时间和星期，则D8013～D8019就与计算机的当前时间保持一致，并逐秒开始计时。

（2）空调电源的控制程序。温度传感器采用热电偶及温度变送器输出4～20mA的电流信号，用FX2N—2AD模拟量输入模块予以采集，将VIN和IIN两端口短路，通过编写程序将模拟量输入信号（4～20mA或0～5VDC信号）转换为12位的数字量，用FROM指令读入到PLC的数据寄存器D40中，即为当前环境下的温度。采取区间比较指令ZCP判断D40的值，大于30℃或小于5℃时，辅助继电器M12、M14分别得电，而在07：35～20：20时间段，辅助继电器M1处于得电状态，串联后去置位用于改造教学楼电源的PLC的输出软继电器Y4～Y7，使交流接触器KM5～KM8的线圈得电，其各自的常开主触点吸合分别去控制教学楼各教室空调的三相供电电源；在07：00～07：35、11：35～13：20、11：35～13：20、20：15～22：00时间段，M12、M14、M1、M4、M7、M10均得电，然后去置位用于改造宿舍楼电源的PLC的输出软继电器Y4～Y7，使交流接触器KM14～KM17的线圈分别得电，其各自的常开主触点吸合分别去控制宿舍楼各寝室空调的单相供电电源。

4.触摸屏实时监控

MCGS组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。因此，我们在此次改造中使用了触摸屏监控。在触摸屏软件上制作好用户画面后，通过FX2N—485BD通信协议与PLC进行通信传输，可实现各楼层照明、空调供电状态的全方位监控，断电显示红灯，通电显示绿灯。

三、在电能节约上带来的经济效益

本系统在校园用电管理上具有很好的效果，对学生按照学校规定作息具有很强的规范和引导作用，并且在电能的节约上带来了一定的效益。以学校教学楼和宿舍楼为例，每天可节约用电约632度，每个月节省电费开支10434元，一年按9个月计（寒暑假除外），合计节省开支93911元。

此外，本系统还可以结合校园电子钟系统、校园安防系统等构成全方位校园智能化管理系统。

参考文献：

[1]陈旋辉.PLC在校园供用电自动化管理的应用[J].节能与环保，2004（9）.

[2]郭艳萍.电气控制与PLC技术[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]阮友德.PLC、变频器、触摸屏综合应用实训[M].北京：中国电力出版社，2008.

（作者单位：杭州市轻工高级技工学校）endprint