西門子S7—300PLC在工廠節(jié)能中的應用

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

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

一般在普通工廠中存在大量的用電設備，其中普通機械設備中的動力源-三相交流異步電動機成工段集中分布；各種風機和氣泵一般也由三相交流異步電動機提供動力，它們數(shù)量少且不集中分布，用于氣動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備供電運轉(zhuǎn)，基本上處于經(jīng)濟運行狀態(tài)；再就是功率相對較小的照明設備。

三相交流異步電動機在社會生產(chǎn)生活中所占負荷比例達到60%，其輕載或空載時功率因數(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控制功能適時驅(qū)動晶閘管導通角來改變電動機的輸入電壓，構(gòu)成閉環(huán)功率因數(shù)控制系統(tǒng)。功率因數(shù)角采用電壓信號和電流信號的過零檢測得到，這種方式對所用PLC的掃描頻率有一定要求，且這與用變頻器實現(xiàn)節(jié)能類似。不如直接采用變頻節(jié)能。b.用單片機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.無功補償控制器直接控制電容器組的投切。其性能單一，性價比和擴展性不及PLC。

（2）從補償范圍和補償器件角度。有集中補償和個別補償，集中補償要么在變壓器母線上補償，要么在車間配電盤母線上采用移相電容器進行補償。個別補償?shù)膬?yōu)點是補償范圍最大，補償效果最好，但補償設備一次性投資大，個別補償適合容量小但數(shù)量多且是長期穩(wěn)定運行的設備；或負荷平穩(wěn)，經(jīng)常運轉(zhuǎn)的大容量電動機。

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

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

隨著時代的發(fā)展，網(wǎng)絡控制的普及和完善，選擇的控制器既要能滿足集中分布負載的無功補償，又要對相對分散的氣泵設備進行單獨補償，還要能根據(jù)上下班時間進行照明設備的節(jié)能管理。并且通過網(wǎng)絡與車間或工廠的監(jiān)控管理層相連，為統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控提供方便。因此選擇S7-300PLC作為主控制器。

S7-300PLC（下面簡寫為S7-300）是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，使用戶可以根據(jù)實際選擇其系列中合適的模塊。其I/O點數(shù)多余S7-200PLC，因此對于一般車間的節(jié)能管理使用一臺S7-300就可完成控制要求。當任務規(guī)模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。S7-300適用于通用領(lǐng)域，具有高電磁兼容性和強抗振動，抗沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應性。人機界面軟件WINCC安裝在主控室的PC機上，它從S7-300中獲得數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)遠程操作，監(jiān)控和報警等功能。

利用其高速處理速度和良好的可擴展性同時進行無功補償和工廠的節(jié)能管理，如利用其模擬量輸入和通訊接口實現(xiàn)無功補償，利用其數(shù)字量輸入端配合其內(nèi)部定時器或計數(shù)器實現(xiàn)對風機和泵類的高效管理，當然也可用數(shù)字量輸入端和外加無功補償裝置進行無功補償，而利用其模擬量輸入和通訊接口實現(xiàn)對風機和泵類的高效管理。

對于無功功率的控制還要進行功率因數(shù)的檢測，可以采取分別測有功和無功來計算功率因數(shù)，或者直接測量功率因數(shù)等方法，為提高補償效果最好對三相電路中的每一相都進行檢測并補償。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選擇，選擇其中PMAC600B-Z-AC儀表，主要因為它是全參數(shù)測量儀表，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。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智能儀表時應注意：根據(jù)負荷最大值選擇CT變比，PT=1；輸入密碼正確才能進行編程。用通訊方式讀取和寫入智能儀表的一次請求寄存器數(shù)目不能超過 40個；這里要在相應寄存器（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。

同樣對西門子S7-300以通訊方式工作時應首先解決通訊協(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。可見以S7-300為控制器對從低層網(wǎng)絡到頂層網(wǎng)絡的組網(wǎng)是必不可少的，而市面上的無功補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，可購買CP341通信處理器與modbus主站驅(qū)動軟件（硬狗）來實現(xiàn)。

在建立好物理連接后，下面就可以S7-300為主控制器對PMAC600B-Z-AC智能儀表進行通訊設置。即分別設置網(wǎng)絡協(xié)議、選擇通訊速率，為設備分配地址，關(guān)鍵要分配好設備間數(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數(shù)型地址空間，分別存儲智能儀表在相應寄存器（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載的場合，對于三相交流異步電動機這種對稱三相負載還可以只讀出（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)設定，下面要進行編程以對數(shù)據(jù)進行運算判斷，因為采用的是電容器組進行有極補償，所以對得到的功率因數(shù)只進行區(qū)間判斷，當在某個區(qū)間且保持一段時間時可投入相應組的電容器，可見這里要用到通訊指令、運算指令、比較指令、定時指令、位邏輯輸出指令。

上面完成了對集中分布的三相交流異步電動機的功率補償，氣泵一般滿負荷工作，可以用氣罐壓力傳感器進行啟停工作，S7-300可以接進一個輸入點位信號來檢測其運行時間或啟動頻率來判斷其工作狀況。如不正常可通過組態(tài)監(jiān)控來報警，或者利用一個輸出點位停止該氣泵運行。

一般風扇用單相電且長時間穩(wěn)定運行，只要選擇合適容量就能達到節(jié)能效果，如果需要按需變速運行，可用S7-300的一個點位輸出的時間或S7-300PLC的模擬量輸出功能來切換相應的風扇控制器的輸出，以改變風扇電機的輸入電壓來調(diào)節(jié)風扇速度。這里要進行S7-300的簡單編程以便按需要給出變速信號。

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

上面僅是利用S7-300進行無功補償和節(jié)能功效管理的一些應用，對具體訂貨號的PLC和具體型號的儀表與設計制作的控制器要根據(jù)實際情況來合理選擇相關(guān)參數(shù)以達到高效利用之目的。

參考文獻

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作者簡介：趙波（1970-），男，副教授，長春職業(yè)技術(shù)學院工程技術(shù)分院電氣自動化技術(shù)專業(yè)骨干教師，研究方向：電氣控制與維修。