西門子S7—300PLC在工廠節(jié)能中的應(yīng)用

摘 要：文章介紹了一般工廠中利用S7-300PLC進(jìn)行節(jié)能管理的一些方法，闡述了應(yīng)用S7-300PLC的必要性，并對(duì)幾種常見負(fù)載的節(jié)能方法給出了具體方案。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；三相交流異步電動(dòng)機(jī)；PLC；通訊；控制

一般在普通工廠中存在大量的用電設(shè)備，其中普通機(jī)械設(shè)備中的動(dòng)力源-三相交流異步電動(dòng)機(jī)成工段集中分布；各種風(fēng)機(jī)和氣泵一般也由三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，它們數(shù)量少且不集中分布，用于氣動(dòng)卡具的氣泵屬于間歇工作方式；現(xiàn)在水泵集中由水泵房的恒壓供水變頻控制設(shè)備供電運(yùn)轉(zhuǎn)，基本上處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；再就是功率相對(duì)較小的照明設(shè)備。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)在社會(huì)生產(chǎn)生活中所占負(fù)荷比例達(dá)到60%，其輕載或空載時(shí)功率因數(shù)在0.5以下，而供電部門要求的用電用戶功率因數(shù)不能低于0.9。

目前提高功率因數(shù)的方法主要有以下幾類：

（1）從所采用的控制器角度：a.只用PLC的PID控制功能適時(shí)驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通角來改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，構(gòu)成閉環(huán)功率因數(shù)控制系統(tǒng)。功率因數(shù)角采用電壓信號(hào)和電流信號(hào)的過零檢測(cè)得到，這種方式對(duì)所用PLC的掃描頻率有一定要求，且這與用變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能類似。不如直接采用變頻節(jié)能。b.用單片機(jī)做控制器的功率因數(shù)控制裝置。工廠的惡劣環(huán)境將制約其推廣使用。c.無功補(bǔ)償控制器直接控制電容器組的投切。其性能單一，性價(jià)比和擴(kuò)展性不及PLC。

（2）從補(bǔ)償范圍和補(bǔ)償器件角度。有集中補(bǔ)償和個(gè)別補(bǔ)償，集中補(bǔ)償要么在變壓器母線上補(bǔ)償，要么在車間配電盤母線上采用移相電容器進(jìn)行補(bǔ)償。個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償范圍最大，補(bǔ)償效果最好，但補(bǔ)償設(shè)備一次性投資大，個(gè)別補(bǔ)償適合容量小但數(shù)量多且是長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備；或負(fù)荷平穩(wěn)，經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)的大容量電動(dòng)機(jī)。

（3）從補(bǔ)償元件角度。主要采用并聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償，它可與電感產(chǎn)生的無功功率相抵消，如果采用并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償雖然能提高功率因數(shù)但電阻上會(huì)消耗有功功率。

不管采取哪種補(bǔ)償方式進(jìn)行無功補(bǔ)償都要使用控制器，控制器完成無功功率檢測(cè)并進(jìn)行投切電容器組的選擇與切換控制。

隨著時(shí)代的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制的普及和完善，選擇的控制器既要能滿足集中分布負(fù)載的無功補(bǔ)償，又要對(duì)相對(duì)分散的氣泵設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，還要能根據(jù)上下班時(shí)間進(jìn)行照明設(shè)備的節(jié)能管理。并且通過網(wǎng)絡(luò)與車間或工廠的監(jiān)控管理層相連，為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供方便。因此選擇S7-300PLC作為主控制器。

S7-300PLC（下面簡(jiǎn)寫為S7-300）是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，使用戶可以根據(jù)實(shí)際選擇其系列中合適的模塊。其I/O點(diǎn)數(shù)多余S7-200PLC，因此對(duì)于一般車間的節(jié)能管理使用一臺(tái)S7-300就可完成控制要求。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。S7-300適用于通用領(lǐng)域，具有高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，抗沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。人機(jī)界面軟件WINCC安裝在主控室的PC機(jī)上，它從S7-300中獲得數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，監(jiān)控和報(bào)警等功能。

利用其高速處理速度和良好的可擴(kuò)展性同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償和工廠的節(jié)能管理，如利用其模擬量輸入和通訊接口實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，利用其數(shù)字量輸入端配合其內(nèi)部定時(shí)器或計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和泵類的高效管理，當(dāng)然也可用數(shù)字量輸入端和外加無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，而利用其模擬量輸入和通訊接口實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和泵類的高效管理。

對(duì)于無功功率的控制還要進(jìn)行功率因數(shù)的檢測(cè)，可以采取分別測(cè)有功和無功來計(jì)算功率因數(shù)，或者直接測(cè)量功率因數(shù)等方法，為提高補(bǔ)償效果最好對(duì)三相電路中的每一相都進(jìn)行檢測(cè)并補(bǔ)償。為減少接線和方便使用選用PMAC600B-Z-AC型三相智能綜合儀表。三相智能綜合儀表有多種型號(hào)選擇，選擇其中PMAC600B-Z-AC儀表，主要因?yàn)樗侨珔?shù)測(cè)量?jī)x表，它有兩路4-20mA模擬量輸出和一路采用Modbus-RTU協(xié)議通訊的RS485接口。利用其通訊方式進(jìn)行功率因數(shù)的采集控制為此必須選取能和PMAC600B-Z-AC儀表采用相同通訊協(xié)議和接口類型的PLC型號(hào)。如果手頭沒有適合與此儀表通訊的PLC可用，也可利用儀表的模擬信號(hào)輸出端采集相角、功率因數(shù)或有功與無功的值作為判別功率因數(shù)的依據(jù)，這時(shí)的PLC選擇就很容易。

通過閱讀PMAC600B-Z-AC智能儀表的使用說明書，為正確建立PLC和智能儀表間的通訊使用PMAC600B-Z-AC智能儀表時(shí)應(yīng)注意：根據(jù)負(fù)荷最大值選擇CT變比，PT=1；輸入密碼正確才能進(jìn)行編程。用通訊方式讀取和寫入智能儀表的一次請(qǐng)求寄存器數(shù)目不能超過 40個(gè)；這里要在相應(yīng)寄存器（40201-40207）中寫入通訊地址、波特率、PT和CT變比，接線方式和模擬量通道輸出參數(shù)代碼等。

同樣對(duì)西門子S7-300以通訊方式工作時(shí)應(yīng)首先解決通訊協(xié)議問題，S7-300有多種通訊處理器用來連接現(xiàn)場(chǎng)不同執(zhí)行器和傳感器的AS-i接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線?？梢娨許7-300為控制器對(duì)從低層網(wǎng)絡(luò)到頂層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)是必不可少的，而市面上的無功補(bǔ)償控制器或智能儀表雖然物理接口是RS485，但協(xié)議卻與S7-300系列不同，如果要和智能儀表通訊必須使用MODBUS RTU協(xié)議，可購(gòu)買CP341通信處理器與modbus主站驅(qū)動(dòng)軟件（硬狗）來實(shí)現(xiàn)。

在建立好物理連接后，下面就可以S7-300為主控制器對(duì)PMAC600B-Z-AC智能儀表進(jìn)行通訊設(shè)置。即分別設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、選擇通訊速率，為設(shè)備分配地址，關(guān)鍵要分配好設(shè)備間數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送區(qū)。如在PLC的M區(qū)中通過交叉參考表分配出實(shí)數(shù)型地址空間，分別存儲(chǔ)智能儀表在相應(yīng)寄存器（40012-40017）中讀出各相的有功和無功功率值，這種方式適合有單相負(fù)載的場(chǎng)合，對(duì)于三相交流異步電動(dòng)機(jī)這種對(duì)稱三相負(fù)載還可以只讀出（40007-40010）中的總有功功率和總無功功率之和。顯然這樣取數(shù)可節(jié)省S7-300的內(nèi)部資源。通過以上過程只是完成了通訊方面的相關(guān)設(shè)定，下面要進(jìn)行編程以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算判斷，因?yàn)椴捎玫氖请娙萜鹘M進(jìn)行有極補(bǔ)償，所以對(duì)得到的功率因數(shù)只進(jìn)行區(qū)間判斷，當(dāng)在某個(gè)區(qū)間且保持一段時(shí)間時(shí)可投入相應(yīng)組的電容器，可見這里要用到通訊指令、運(yùn)算指令、比較指令、定時(shí)指令、位邏輯輸出指令。

上面完成了對(duì)集中分布的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的功率補(bǔ)償，氣泵一般滿負(fù)荷工作，可以用氣罐壓力傳感器進(jìn)行啟停工作，S7-300可以接進(jìn)一個(gè)輸入點(diǎn)位信號(hào)來檢測(cè)其運(yùn)行時(shí)間或啟動(dòng)頻率來判斷其工作狀況。如不正?？赏ㄟ^組態(tài)監(jiān)控來報(bào)警，或者利用一個(gè)輸出點(diǎn)位停止該氣泵運(yùn)行。

一般風(fēng)扇用單相電且長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，只要選擇合適容量就能達(dá)到節(jié)能效果，如果需要按需變速運(yùn)行，可用S7-300的一個(gè)點(diǎn)位輸出的時(shí)間或S7-300PLC的模擬量輸出功能來切換相應(yīng)的風(fēng)扇控制器的輸出，以改變風(fēng)扇電機(jī)的輸入電壓來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。這里要進(jìn)行S7-300的簡(jiǎn)單編程以便按需要給出變速信號(hào)。

對(duì)于照明設(shè)備的管理只需要利用S7-300的輸出點(diǎn)來控制就行，可以由車間監(jiān)控層發(fā)信給S7-300，PLC對(duì)照明控制柜中事先做好的照明組別進(jìn)行控制，也可由S7-300按上下班時(shí)間等進(jìn)行定時(shí)切換。

上面僅是利用S7-300進(jìn)行無功補(bǔ)償和節(jié)能功效管理的一些應(yīng)用，對(duì)具體訂貨號(hào)的PLC和具體型號(hào)的儀表與設(shè)計(jì)制作的控制器要根據(jù)實(shí)際情況來合理選擇相關(guān)參數(shù)以達(dá)到高效利用之目的。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用教程[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]梁巖.S7-300/400PLC實(shí)踐教程[M].第1版.東北大學(xué)出版社，2014.

[3]西門子S7-300/400PLC實(shí)踐與應(yīng)用[M].第1版械工業(yè)出版社，2013.

[4]PWG-2大容量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制器使用說明書[Z].深圳市旭振電氣技術(shù)有限公司，2006.

[5]PMAC-600B/BH三相智能電力儀表說明書[Z].珠海派諾科技股份有限公司.

作者簡(jiǎn)介：趙波（1970-），男，副教授，長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)分院電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)骨干教師，研究方向：電氣控制與維修。