基于PLC的校園節(jié)能供電系統(tǒng)智能設(shè)計

胡建華

摘 要：節(jié)能減排是國家一項長期的基本國策，校園用電具有區(qū)域性和時間性相結(jié)合的特點，以PLC為核心對校園的供用電網(wǎng)進行改造是一項節(jié)約電能的可行措施。

關(guān)鍵詞：節(jié)能 FX2N PLC FX2N—2AD模塊 昆侖通態(tài)觸摸屏

節(jié)能減排是國家一項基本國策，國務(wù)院最近頒布的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中提到，對于電能的節(jié)約，采取的措施是發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，加快智能電網(wǎng)建設(shè)。筆者認為，對于中職學(xué)校而言，在節(jié)能管理措施上，除了加強對學(xué)生的節(jié)能意識和用電管理規(guī)范教育外，最行之有效的途徑是采用技術(shù)手段節(jié)能，以可編程邏輯控制器（PLC）為核心對校園的供用電網(wǎng)進行改造是一項節(jié)約電能的可行措施。

一、校園概況分析

校園用電具有區(qū)域性和時間性相結(jié)合的特點。傳統(tǒng)的供電都是以人工控制為主，由于人為疏忽等原因造成的電能浪費則不可避免。近幾年來，隨著更多先進的教學(xué)設(shè)備和儀器的添置，使用過程中造成的電能浪費更不容忽視。為了節(jié)約用電，加強學(xué)生管理，強化學(xué)生按照學(xué)校規(guī)定進行學(xué)習(xí)和作息，我們把校園按照區(qū)域進行劃分，以PLC為核心實現(xiàn)各個區(qū)域供電的控制。以筆者所在學(xué)校校園為例，校園總體可以劃分為如下幾個主要用電區(qū)域：教學(xué)區(qū)包括教學(xué)樓、圖書館、辦公樓和實訓(xùn)樓；生活區(qū)包括學(xué)生宿舍樓、學(xué)生活動中心、食堂；公共區(qū)包括校園操場路燈、走道的路燈。

教學(xué)區(qū)，教學(xué)樓、圖書館、實訓(xùn)樓的供電是學(xué)校教學(xué)工作正常進行的有力保障。從節(jié)約角度考慮，其供電改造可分兩路來控制：一路為教室、實訓(xùn)車間、實驗室、圖書室的照明設(shè)備、多媒體教學(xué)設(shè)備、機床設(shè)備的供電，在日常教學(xué)期間應(yīng)連續(xù)供電，待學(xué)生晚自習(xí)結(jié)束后則無需供電，具有時間性，可以采取三菱FX2N系列PLC的時鐘數(shù)據(jù)運算指令編程來實現(xiàn)時間段控制；另一路為空調(diào)的供電，空調(diào)一般是在夏冬季節(jié)由溫度的高低來決定是否使用，可以采取溫度傳感器和三菱FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊FX2N—2AD來實現(xiàn)控制。辦公樓的供電要保證行政、辦公工作的正常開展，考慮到辦公樓的使用者是學(xué)校管理者和教師，能自我管理，并且有加班等情況存在，工作時間不統(tǒng)一，所以對于辦公樓的供電無需改造，24小時供電，由各辦公室獨立管理。

生活區(qū)主要是管理好學(xué)生宿舍，營造一個良好的學(xué)生休息娛樂區(qū)，保證學(xué)生有充沛的精力。根據(jù)學(xué)生和學(xué)校的實際情況，在一天作息的幾個休息時間，宿舍樓、學(xué)生活動中心應(yīng)保證供電，也具有時間性。因此，其供電改造也可分兩路來控制：照明電源的供電采取三菱FX2N系列PLC的時鐘數(shù)據(jù)指令編程控制，空調(diào)電源的供電采取由溫度傳感器和三菱FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊FX2N—2AD來實現(xiàn)控制。

公共區(qū)應(yīng)該按照光線強弱來決定供電，以保證公共場所的照明，方便師生的生活。特別是道路、走廊等場所，必須在光線不足的時候就自動啟動，方便生活，其供電改造可以用光電傳感器加PLC來實現(xiàn)控制。當(dāng)光線不足時，啟動相應(yīng)的控制程序來控制，為防止同時啟動造成較大的電網(wǎng)沖擊，可以設(shè)定各部分按一定的時間間隔順序得電，減小對電網(wǎng)的沖擊。

另外，由于夏季高溫天氣到來較早，在夏季用電高峰期，必須要考慮到整個校園電網(wǎng)供電變壓器出現(xiàn)超負荷的情況。學(xué)校的干式電力變壓器型號SGB10-400/10，額定容量S為400kVA，一旦出現(xiàn)超負荷情況，會嚴重影響學(xué)校正常的教學(xué)秩序，因此要做到對變壓器的實時監(jiān)控。

按照需要系數(shù)法計算，教學(xué)樓空調(diào)電源的電流總和為119.2A，因此，通過觀察配電房中配電柜上電流表的讀數(shù)，斷開教學(xué)樓、圖書館、實訓(xùn)樓、辦公樓、宿舍樓、學(xué)生活動中心的空調(diào)電源，從而保證教學(xué)區(qū)和生活區(qū)照明設(shè)備電源的正常供電。

學(xué)校一天的作息時間表如下。宿舍起床時間：07：00～07：35；上午早自習(xí)及上課時間：07：40～11：35；午休寢室開放時間：11：35～13：20；下午上課時間：13：30～15：10；下午放學(xué)寢室開放時間：15：10～18：20；晚自習(xí)時間：18：30～20：15；晚自習(xí)結(jié)束后寢室開放時間：20：15～22：00；22：00～07：00寢室關(guān)燈休息。綜上所述，學(xué)校校園區(qū)域控制總體邏輯關(guān)系應(yīng)為：7：35～20：20，教學(xué)區(qū)和公共區(qū)供電，生活區(qū)停止供電，其余間隔休息時間則相反，而應(yīng)季節(jié)氣候之變，生活區(qū)空調(diào)應(yīng)有所調(diào)控。

二、校園供電網(wǎng)絡(luò)改造的具體實施（以教學(xué)樓、宿舍樓為例）

1.供電改造思路設(shè)計

在上課時間段，即07：40～20：15之間，各教室照明、多媒體教學(xué)設(shè)備的電源應(yīng)供電，但為了提前準(zhǔn)備和適當(dāng)緩沖，程序編寫時相應(yīng)提前和延后5分鐘，即在07：35～20：20供電電源應(yīng)接通，其余時間斷開。在寢室開放時間段，即07：00～07：35、11：35～13：20、15：10～18：20、20：15～22：00，各寢室照明設(shè)備的電源應(yīng)供電，其余時間斷開；教室和寢室空調(diào)電源的供電應(yīng)根據(jù)溫度決定，設(shè)定在溫度高于30℃、低于5℃時空調(diào)電源應(yīng)供電，其余溫度下則斷開。每年寒暑假季節(jié)，教學(xué)樓、宿舍樓不需要供電，將配電控制柜中的空氣開關(guān)拉閘即可。

2.硬件改造

（1）供電電源部分的接線改造。采用在配電柜的空氣開關(guān)下端串聯(lián)交流接觸器的方法來實現(xiàn)控制。

（2） PLC控制部分的接線改造。用各PLC輸出軟繼電器的狀態(tài)來控制交流接觸器的線圈得電失電。

3.程序設(shè)計

（1）照明設(shè)備供電電源的控制程序。三菱FX2N系列PLC實時時鐘的時間數(shù)據(jù)存放在寄存器D8013～D8019中，D8018～D8013分別存放年、月、日、時、分和秒，D8019用以存放星期。例如，用于改造教學(xué)樓電網(wǎng)的PLC，在照明供電改造的程序編寫中，用D10～D12存放時間07：35，D13～D15存放時間20：20。通過萬年歷數(shù)據(jù)讀取指令TRD，將萬年歷實時時間數(shù)據(jù)讀出到D6～D0，用TZCP比較指令將D5～D3寄存器中的時間與D10～D12、D13～D15的時間進行比較，然后在07：35～20：20時間段，通過輔助繼電器M1得電去置位用于改造教學(xué)樓電網(wǎng)的PLC輸出軟繼電器Y0～Y3，Y0～Y3得電后使交流接觸器KM1～KM4的線圈分別得電，其各自的常開主觸點吸合分別去控制教學(xué)樓各教室照明、電視、多媒體教學(xué)設(shè)備的單相供電電源；同樣，將D5～D3寄存器中的時間與D10～D12、D13～D15等時間進行比較后在對應(yīng)的時間段，通過輔助繼電器M1、M4、M7、M10的得電去置位用于改造宿舍樓電網(wǎng)的PLC的輸出軟繼電器Y0～Y3，Y0～Y3得電后交流接觸器KM10～KM13的線圈分別得電，其各自的常開主觸點吸合分別去控制宿舍樓各寢室照明單相供電電源。endprint

PLC內(nèi)部萬年歷實時時間的設(shè)置，可以在打開GX Developer軟件并輸入梯形圖程序后，點擊“在線”工具欄，在下拉菜單中點擊“時鐘設(shè)置”，將PLC內(nèi)萬年歷時鐘設(shè)置成與計算機同步的當(dāng)前時間和星期，則D8013～D8019就與計算機的當(dāng)前時間保持一致，并逐秒開始計時。

（2）空調(diào)電源的控制程序。溫度傳感器采用熱電偶及溫度變送器輸出4～20mA的電流信號，用FX2N—2AD模擬量輸入模塊予以采集，將VIN和IIN兩端口短路，通過編寫程序?qū)⒛M量輸入信號（4～20mA或0～5VDC信號）轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量，用FROM指令讀入到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D40中，即為當(dāng)前環(huán)境下的溫度。采取區(qū)間比較指令ZCP判斷D40的值，大于30℃或小于5℃時，輔助繼電器M12、M14分別得電，而在07：35～20：20時間段，輔助繼電器M1處于得電狀態(tài)，串聯(lián)后去置位用于改造教學(xué)樓電源的PLC的輸出軟繼電器Y4～Y7，使交流接觸器KM5～KM8的線圈得電，其各自的常開主觸點吸合分別去控制教學(xué)樓各教室空調(diào)的三相供電電源；在07：00～07：35、11：35～13：20、11：35～13：20、20：15～22：00時間段，M12、M14、M1、M4、M7、M10均得電，然后去置位用于改造宿舍樓電源的PLC的輸出軟繼電器Y4～Y7，使交流接觸器KM14～KM17的線圈分別得電，其各自的常開主觸點吸合分別去控制宿舍樓各寢室空調(diào)的單相供電電源。

4.觸摸屏實時監(jiān)控

MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。因此，我們在此次改造中使用了觸摸屏監(jiān)控。在觸摸屏軟件上制作好用戶畫面后，通過FX2N—485BD通信協(xié)議與PLC進行通信傳輸，可實現(xiàn)各樓層照明、空調(diào)供電狀態(tài)的全方位監(jiān)控，斷電顯示紅燈，通電顯示綠燈。

三、在電能節(jié)約上帶來的經(jīng)濟效益

本系統(tǒng)在校園用電管理上具有很好的效果，對學(xué)生按照學(xué)校規(guī)定作息具有很強的規(guī)范和引導(dǎo)作用，并且在電能的節(jié)約上帶來了一定的效益。以學(xué)校教學(xué)樓和宿舍樓為例，每天可節(jié)約用電約632度，每個月節(jié)省電費開支10434元，一年按9個月計（寒暑假除外），合計節(jié)省開支93911元。

此外，本系統(tǒng)還可以結(jié)合校園電子鐘系統(tǒng)、校園安防系統(tǒng)等構(gòu)成全方位校園智能化管理系統(tǒng)。

參考文獻：

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（作者單位：杭州市輕工高級技工學(xué)校）endprint