PLC变频节能在电气自动化设备中运用研究

天津齐物科技有限公司 曹玉龙

1 引言

自动化设备是指采用自动化技术，使设备能够在无人干预的情况下，依照既定指令与程序，自动操作与运行的装置。虽然此类设备可以满足生产、生活的个性化需求，但由于受到条件限制，难以利用传统技术达到节能、降耗目的。因此，需要结合先进的PLC 变频节能手段，通过融合传感器技术、通信技术，提高电气设备控制效果，监控设备运行状态，实现节约能源的目标。

2 PLC 变频节能技术原理分析

PLC 变频节能技术是指利用电力半导体器件的通断作用，切换工频电源，使之转换为其他频率的电能控制技术，适用于电梯设备、空调设备等。在企业生产过程中，由于电气装置需要长时间保持高负荷作业，导致设备的性能损耗较为严重，不仅会影响设备的工作质量，也会缩短设备的使用寿命。而将PLC 变频技能技术运用在电气自动化设备中可以实现设备的错峰运行，根据实际需求进行自动化调整，确保设备在动力充足的基础上，不会出现能源浪费。PLC 变频节能技术能够结合逆变器，实现电压、电流的控制，更好地完成设备状态的调节、设备速度的调控，从而达到设备自动节能的目的。

3 PLC 变频节能在电气自动化设备中的运用路径

3.1 电梯系统

3.1.1 运用方法

电梯系统属于电动机拖动系统，其结构组成较为复杂，电气自动化装置类型较多，在运行过程中对能源的需求量较高。为实现电梯系统的低能耗运行，需要将PLC 变频技术运用在相关设备的管理与控制上。其中PLC 程序主要负责逻辑控制，能够处理复杂的信号关系，并输出启停信号，变频器负责将工作状态数据输出至PLC，建设双向联络关系，达到利用PLC 变频节能技术减少电梯系统中设备的能量消耗的目的。通过将PLC 输入接口模块与操纵盘、井道等装置信号连接，实现电梯运行的自动化控制，确保切换、启动、换速等指令的有效传输。电梯启动后，自身负载情况会随之改变，此时电动机功率呈现小幅度上升，电流值也会随之提高，具体情况表现为：

由此可见，电流值与电动机功率始终维持正比关系，因此电梯在启动后，会提高电动机的整体消耗。为解决此类问题，利用PLC 技术将变动损耗与固定损耗保持相同，确保电机始终处于良好的运动状态，具备较好的节能效果。

3.1.2 案例分析

以基于PLC 变频技术的电梯节能控制系统设计案例为研究对象。

一是硬件设计。首先，要设置信息采样模块，将数字温度传感器作为内部系统，并结合嵌入式操作系统作为输出信息采样，通过设置交叉编译技术，进行内部信息的编译控制。此外，在收集信号的过程中，还要利用助力感应器、ARM 处理器，进行控制系统设定，并做好传出方向的自动化管理。其次，要安装数字传感器，其作用在于输出数字信号，提高电梯对于传感信息的获取，强化组网的控制效果。利用传感器对上位装置的通信协议设计，实现电梯节能的目标。同时还要在转换器中采用AD 芯片，将其作为信息传输中心，再通过D/A 转换器进行脉冲控制。最后，要完成继电器电路的设计，其作用在于反映电梯的实际停靠位置，依照层楼信号指令显示电梯所在位置，并发出选择楼层、召唤消除等指令[1]。

二是要添加PLC 变频程序。设定好功能分区，根据特定功能完成程序编写，再进行程序整合。一般情况下，需要具备召唤登记、上行或下行的决定、轿厢停止、楼层显示等功能模块。当PLC 变频程序运行后，程序初始化步骤表现为给数据赋予初值，当电梯无召唤时，电梯保持静止状态。当出现召唤时，进行召唤登记，将信息传输至寄存器，通过相应运算，决定电梯运行方向与速度。当寄存器楼层数值与电梯所处楼层数值不统一时，电梯便会自动运行，直至召唤相应位置。由此可知，寄存器的设置情况具有重要的意义，因此在编写PLC 变频程序的过程中，可预先设计多个数据寄存器，内容确定为楼层、上升最近、降低最远。若电梯所在楼层与信息和所属楼层对应，则楼层数字便以数字化形式，作为数据寄放在寄存器中。此外，还要安装控制输出指令模块，其作用在于获取与电梯节能控制有关的信息，并作为电路稳定性试验因子，具体控制输出指令表达式为：

式中，e、c、d 分别为电梯节能控制信息获取需要统计的特征量；U 为电梯检测时的电平输出值。

通过对基于PLC 变频技术设计的电梯节能控制系统进行测试后发现，电梯能够实现较佳的节能控制效果。

3.2 空调系统

3.2.1 运用方法

空调系统同样要采用大量电气设备，能源消耗与电梯系统相比较高，因此需要融合PLC 变频节能技术，实现节能降耗的目标。空调系统的组成成分以水系统与风系统为主，采用变频技术，搭配电动阀，达到水系统流量的在线调整的目的，实现冷热水管的独立运营，使两者可以通过多个的管道做到分别流入。其中，主管道采用异程式结构，是指总立管与分立管构成的循环环路总长度不相等的布置形式，此类系统的优势在于管路简单，无须设置回程管，能够大幅度节省管材。支管道则要采用同程式法完成建设，同程式是指总立管与分立管构成的循环环路总长度一致的系统，其特点在于增加了回水管长度，能够保证环路间的压力损失易于平衡，使热量分配易于达到设计要求。同时，还要在空调分水器环路供水管上布设平衡阀，至于在支管上则要安装锁定平衡阀。此时，当冷水系统出现流量变化，相应支管不会被破坏平衡状态，有利于系统的正常运行。在制冷功能正常使用的同时，充分发挥供暖作用[2]。

在风系统中的变频节能措施则表现有几方面。一是安装风机盘管系统，其作用在于夏天制冷、冬天制热；二是安装新风系统，其作用为夏季制冷、冬季停运。若风量在5000m3/d 以上，则PLC 变频节能技术会通过给定程序第一时间启动热回收设备，且空调新风会将风阀与风机有机结合，将回风调节阀、送风调节阀作为风量调节阀。具体的PLC 技术应用模式有几方面。管道存在方式，其中水系统的整体架构为采用异程式，而在风系统方面，其架构形式表现为同程式；装置方面，水系统采用数字锁定平衡阀，并进一步搭配动态平衡阀，通过智能软化装置实现控制，能够起到空调水泵电压动态调节的作用。在风系统方面，则使用风机盘管系统。

3.2.2 案例分析

以某地方城市的地铁空调系统为研究对象，阐述节能系统设计方法，其环控系统结构如图1所示。

图1 地铁站环控系统结构

首先，要进行回排风机的变频控制，根据实际调查显示，若地铁站现场存在两台功率一致的回排风机，则两者均可在变频状态下正常使用。若回排风机采用变频控制，则可以充分结合站厅的温度，进行二氧化碳浓度的比对，确保各项参数维持在标准范围，以此实现系统结构的功率调节，并通过智能控制算法，调整回风阀开度，保证风机运行频率符合安全标准，减少无用功的损耗。例如，当风机额定送风量不超过回排风量时，施工现场的回排风机能够做到维持工频运行，而其中一台则实现变频运行。如果出现风机额定送风量超出回排风量的情况，则要及时关闭风机，将另一台设置在变频状态运行[3]。

其次，要实施空调机组与水系统的变频控制。通常来说，设计人员需要充分结合地铁站内负荷水平，比对风量需求与水量需求，实现科学调节，将风机与水泵输配系统作为重点节能对象，因此若想更好地分析站内电量的消耗状况，便要做好设备的类型分配，进行车站负荷的初步预测，设定好自动化装置的运行状态，减少系统运行成本。同时变频空调机组主要用于站台温度的调控，能够依照温度反馈信息实现设备送风量的调节。例如，利用PID（比例－积分－微分控制器）控制方法，PID 控制中的闭环控制系统可以将被控对象的输出返送回来，进而影响控制器输出，能够自行判断设备的能耗状况，并在达到临界值时自动切断电源。同时，也能够在比例、积分、微分的控制过程中，消除稳态误差，预测并改善系统在调节时的动态特性。当空调送风量降低至一定标准后，再实现冷冻水流量的调节，至于调节阀的开度大小设置则要充分结合进出水管的温度差。同时，在采用变频节能技术实现冷水泵的控制时，应充分考虑水泵水压差，结合数据参数完成运行频率的计算。水泵中的冷量与水量无实际联系，因此水量会延缓冷量变化，出现小温差、大流量的问题。为此，需要采用分时段控制的方法进行冷冻水温差的调控，将温度传感器作为辅助控制，确保水系统可以根据温度以及季节的差异性，实现自动化调整，达到节能的目的。

最后，要实现电路结构的变频节能改造，不仅要增加变频设备，还要在控制系统中添加变频控制程序，利用高度集成人机界面、PLC 的方式以及融合变频参数与监控功能的方法，使监控系统可以自动获取变频控制数据，并上传至调度中心，实现车站温度的自动调节，满足车站的节能要求[4]。

3.3 照明系统

照明系统是指以提供照明为基础的系统，能够利用计算机、无线通信、智能化信息处理、电器控制等技术，打造分布式遥测，实现照明应用的安全性、便利性与舒适性。在使用过程，要采用大量电气自动化设备，但仍会出现能源浪费。为解决此类问题，需要将PLC 变频技术运用在照明系统中，提高电子镇流器的配置效果，要求其恢复速率超过0.9，色温在4000～6000K，光源显色指数超过85，以此对照明系统进行节能控制。例如，会议室的照明功率密度为9.1W/m2；餐厅的照明功率密度为6.3W/m2办公室的照明功率密度为9.8W/m2。根据上述数据发现，PLC变频技术的节能效果明显，并且能够进一步提高光照效率，延长设备的使用寿命。PLC 变频技术还能产生降低灯具瓦数的效果，依托LED 灯源，替代照明灯源，能够有效防止电能的过度损耗，通过在照明箱中安装HW 模块，实现光照强度的可变调节，并减少不必要的电能损耗，具体的照明量计算方法为：

式中，W、T、E 分别代表照明灯额定功率、照明时长、照明亮度，至于A 则表示照明面积，而U则表示照明率，F 是指照明光束长度。

可以准确计算照明量，实现节能控制。根据实际调查显示，PLC 变频技术在不同的季节使用，会在节能效果上表现出一定差异性，但在电气设备的节能水平上，能够保持30%以上。因此，将PLC 变频技术运用在照明系统中具有一定的推广价值[5]。

4 结语

本文通过对PLC 变频节能技术原理展开分析讨论，阐述PLC 变频节能在电气自动化设备中的运用路径，以此促进电气自动化设备的稳定、安全运行，减少不必要的能量损耗，延长设备的使用寿命，实现电气企业的可持续发展。