電氣工程自動化的供配電節(jié)能控制方法

煙臺建筑設(shè)計有限公司墾利區(qū)分公司 崔宗海

1 引言

電氣工程自動化技術(shù)作為一門綜合類學(xué)科，其中設(shè)計機(jī)電一體化、電機(jī)、電子以及網(wǎng)絡(luò)信息控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多技術(shù)融合，對軟硬件和強(qiáng)弱電進(jìn)行有機(jī)融合，提升機(jī)械設(shè)備控制水平等。為了實現(xiàn)供配電技能控制系統(tǒng)，積極做好電氣工程自動化的供配電技能系統(tǒng)改造，達(dá)到良好的社會效益與環(huán)境效益。

2 電氣工程自動化系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

電氣工程自動化系統(tǒng)是以中央控制器、現(xiàn)場控制設(shè)備及其他輔助設(shè)備的支持，發(fā)揮設(shè)備的各項功能。電氣工程自動化系統(tǒng)中的重要組成部分就包括中央控制單元和現(xiàn)場控制單元。

2.1 中央控制單元

以機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動化系統(tǒng)為例，中央控制單元中的各項設(shè)備采用一級控制器運(yùn)行模式，需要通過ARCNET網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)兩個層面進(jìn)行分析。中央控制單元的設(shè)備負(fù)責(zé)系統(tǒng)自動化程序調(diào)度與協(xié)調(diào)，滿足電氣工程自動化系統(tǒng)的子程序控制需求。機(jī)械設(shè)備電氣工程自動化系統(tǒng)中的中央控制器融合了微型計算機(jī)的大部分執(zhí)行功能，通過CPU處理器以及輔助元件的支持，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化接口轉(zhuǎn)換處理，此外，這種類型控制設(shè)備還能夠?qū)崿F(xiàn)多級供配電銜接。由于中央控制單元的設(shè)備和后備電源的設(shè)施，能夠幫助電氣工程自動化系統(tǒng)在面臨特殊情況時，可以通過后備電源完成系統(tǒng)運(yùn)行。常見中央控制器的性能見表1。

表1 常見中央控制器性能

2.2 現(xiàn)場控制單元

機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動化系統(tǒng)中包括現(xiàn)場控制單元，主要由多個控制設(shè)備組成，能夠?qū)崿F(xiàn)子系統(tǒng)主機(jī)的智能化控制，并且將中央控制器相連，實現(xiàn)配電技能數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲。如果系統(tǒng)一級控制器發(fā)生故障，可以通過二級控制器維持正常運(yùn)行，滿足供配電節(jié)能的信息化共享功能。電氣工程自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元中包括隨機(jī)存取設(shè)備、ROM以及CPU等，在電氣自動化系統(tǒng)運(yùn)行時，現(xiàn)場控制單元中的設(shè)備和元件可以有效發(fā)揮程序的共享功能。為此，還需要為現(xiàn)場控制設(shè)備配置提供完善的備用電源模塊，當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時，中央控制器和現(xiàn)場控制設(shè)備同步工作，構(gòu)成獨(dú)立的供配電調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.3 電氣工程自動化特點(diǎn)

機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動化系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，通常分為地上和地下兩個部分。地上部分包含處理器和機(jī)床等復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，能夠?qū)C(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況精準(zhǔn)記錄，同時在傳輸渠道的驅(qū)動下，將機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備體系中[1-3]。地下部分由大量的連接線路構(gòu)成，通常情況下存在某個機(jī)械設(shè)備節(jié)點(diǎn)間，信息由一個設(shè)備傳輸?shù)搅硗獾脑O(shè)備。這一結(jié)構(gòu)也決定了電氣工程自動化設(shè)備不僅可以實現(xiàn)節(jié)能降耗，還能發(fā)揮靈活布局和高效處置的效果。

3 供配電節(jié)能控制方式與實現(xiàn)

結(jié)合先進(jìn)的控制算法對電氣工程自動化供配電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制設(shè)計，合理設(shè)定控制原則，實現(xiàn)自動化控制節(jié)能目標(biāo)。該方法得以實現(xiàn)取決于兩個基本條件：首先，自動化設(shè)備的響應(yīng)時間明顯優(yōu)于人工控制，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)供配電系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行優(yōu)勢；其次，電氣工程自動化控制系統(tǒng)響應(yīng)敏感度應(yīng)顯著高于人工控制方式，通過合理設(shè)定控制參數(shù)閾值，在傳感器處于傳輸狀態(tài)的閾值范圍內(nèi)，自動激活設(shè)備，將靈敏度控制在1%以上，具體控制實現(xiàn)方法如下。

3.1 電氣自動化工程供配電節(jié)能控制參數(shù)

為了有效實現(xiàn)自動化控制功能，供配電自動運(yùn)行系統(tǒng)能夠遵循安全可靠原則，并對供配電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能特性參數(shù)設(shè)計。具體參數(shù)遵循能耗優(yōu)先方式進(jìn)行設(shè)計，并將控制實際與系統(tǒng)自動化控制系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合，構(gòu)建全新的指令模型。假設(shè)V0為電氣工程自動化控制最小系數(shù)，Vn表示機(jī)械設(shè)備電氣自動化權(quán)限量。可以得出電氣工程自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元連接指令如式（1）所示：

式（1）中，X為電氣工程自動化系統(tǒng)一級控制器調(diào)節(jié)系數(shù)；X為電氣工程自動化系統(tǒng)二級控制器調(diào)節(jié)系數(shù)；H為電氣工程自動化系統(tǒng)一級控制器節(jié)能控制指標(biāo)；h為電氣工程自動化系統(tǒng)二級控制器節(jié)能控制指標(biāo)；c為機(jī)械設(shè)備電氣自動化執(zhí)行權(quán)限量；ΔM為單位時間機(jī)械設(shè)備電氣工程調(diào)試量；由于c和ΔM均為固定常量，因此與供配電的節(jié)能控制設(shè)備有著直接關(guān)系；V0和Vn以及n、x同樣為系統(tǒng)常量，與供配電系統(tǒng)的設(shè)備選擇和實現(xiàn)方式有著直接關(guān)系，同時是實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計的主要目標(biāo)；H和h為自動化控制系統(tǒng)的目標(biāo)參數(shù)閾值，應(yīng)結(jié)合具體節(jié)能需求進(jìn)行設(shè)定。

當(dāng)完成連接指令和函數(shù)確定后，通過對連接條件進(jìn)行設(shè)定，確定節(jié)能系統(tǒng)的原則與動作關(guān)系，在電氣工程自動化設(shè)備能耗負(fù)載第1 次從上到下跨越閾值范圍時，自動化系統(tǒng)會啟動節(jié)能判定，并且降低供配電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)能耗，以此來實現(xiàn)電氣工程自動化系統(tǒng)耗電量的整體控制效果，達(dá)到預(yù)期的節(jié)能降耗目標(biāo)。在實際閾值確定方案中，需要針對實際情況進(jìn)行動態(tài)計算，保證閾值的設(shè)定符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。具體設(shè)定計算如式（2）所示：

式（2）中，f為電氣工程自動化終端設(shè)備供配電的節(jié)能系數(shù)；P為電氣工程自動化控制設(shè)備能耗要求；B為連接指令函數(shù)值；ln為第n個節(jié)能控制設(shè)備能耗；S0為電氣工程自動化設(shè)備節(jié)能最小調(diào)節(jié)系數(shù)；Sn為電氣工程自動化設(shè)備節(jié)能最大調(diào)節(jié)系數(shù)。

通過電氣工程自動化控制系統(tǒng)的功能模型設(shè)計，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備的閾值精準(zhǔn)計算，同時構(gòu)建動態(tài)化的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系，設(shè)定科學(xué)的節(jié)能觸發(fā)控制條件，構(gòu)建靈活的電氣工程自動化節(jié)能控制系統(tǒng)。

3.2 供配電節(jié)能平臺的選擇和構(gòu)建

在電氣工程自動化系統(tǒng)的供配電節(jié)能平臺設(shè)計中，首先應(yīng)明確供配電技能控制的整體需求，利用自動化系統(tǒng)作為上位主機(jī)，引入EPS 當(dāng)作節(jié)能控制的設(shè)備端，構(gòu)建多線程數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)，實現(xiàn)高低壓配電柜數(shù)據(jù)交換互聯(lián)，對電氣工程自動化系統(tǒng)供配電進(jìn)行科學(xué)控制，設(shè)置互通雙線，構(gòu)建直流屏和上位機(jī)互通效果，為可視化顯示功能提供支持，保障上位機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)作為可視化功能的重要組成部分，為了提高上位機(jī)的安全性與可靠性，應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的UPS 電源，通過備用電源的設(shè)置，此種設(shè)計的邏輯在于收集端與計算端的分列，采取有線傳輸方式，對信號進(jìn)行收集與傳輸，這種方式在設(shè)計上可以表現(xiàn)出以下幾種優(yōu)勢。

一是實現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)的單獨(dú)運(yùn)行，不管是能源供給還是信號輸出，有效避免設(shè)備受到信號互不干擾，形成獨(dú)立運(yùn)行態(tài)勢，保障數(shù)據(jù)處理有效性與安全性。二是不同的設(shè)備端設(shè)置獨(dú)立的傳感器，對設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行及時獲取，確保數(shù)據(jù)真實性與有效性，客觀層面降低上位機(jī)的運(yùn)算量，允許上位機(jī)采用更低配置來保障系統(tǒng)的可靠性。三是設(shè)備端分離方式設(shè)置能夠提高節(jié)能控制設(shè)備的分布式接入效果，在設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，不需要進(jìn)行特殊的降耗處理，實現(xiàn)短暫的上位機(jī)斷開信號時并不會對供配電系統(tǒng)和其他單元造成影響，滿足高效節(jié)能控制需求，同時系統(tǒng)還進(jìn)行了接口簡單的拓展，降低后續(xù)維護(hù)和更新成本。

3.3 上位機(jī)的實現(xiàn)

在電氣工程自動化系統(tǒng)中，供配電節(jié)能管理系統(tǒng)的設(shè)備末端節(jié)能采用直接控制方式，可以有效實現(xiàn)技能控制效果，利用微處理器對I/O 口的輸出信號進(jìn)行科學(xué)調(diào)試，在實際運(yùn)行中，具體工作流程是結(jié)合數(shù)據(jù)串口獲取設(shè)備端回傳的數(shù)據(jù)信息，同時對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋處理，通常情況下在整個節(jié)能控制環(huán)節(jié)，供配電繼電器和接觸器應(yīng)保持兼容相連的狀態(tài)。考慮供配電節(jié)能上位機(jī)的實效性，控制功能系統(tǒng)應(yīng)該具備特殊的用電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、辦公設(shè)備以及分散式空調(diào)等部分組成，不同的功能設(shè)備和軟件在設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格遵循建筑機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動化節(jié)能要求，對實際需求進(jìn)行測量編譯。

在上位機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計中，整個系統(tǒng)劃分成三個部分設(shè)計：一是結(jié)合末端節(jié)能控制傳輸出來的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對相關(guān)數(shù)據(jù)作出精確判斷，結(jié)合各類數(shù)據(jù)進(jìn)行三項輸出，利用I/O 口輸出信號作為可視化系統(tǒng)備案。其他兩相輸出作為繼電器和接觸器的動作指令。二是需要對動作指令采取兼容性相連方式，對供配電系統(tǒng)節(jié)能過程設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模式，構(gòu)建有效兼容局勢。三是根據(jù)工程項目的電氣自動化指令要求，對上位機(jī)進(jìn)行調(diào)試能夠為其他軟件的調(diào)用和連接提供支持。

4 供配電節(jié)能控制成效與應(yīng)用要點(diǎn)

結(jié)合機(jī)械設(shè)備電氣工程自動化系統(tǒng)的供配電節(jié)能設(shè)計，實現(xiàn)良好的供配電設(shè)備節(jié)能改造效果，提高節(jié)能控制方法的有效性。在實際改造中通過對節(jié)能指標(biāo)的分析與測量，明確供配電節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用成效，并提出實際應(yīng)用要點(diǎn)，保障供配電技能控制系統(tǒng)的全面推廣與應(yīng)用。

4.1 應(yīng)用成效

為了分析供配電節(jié)能控制成效，通過合理設(shè)置3個變量參數(shù)指標(biāo)，分析供配電系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的指標(biāo)情況。保障主機(jī)設(shè)備生產(chǎn)效率不受影響的基礎(chǔ)上，對IPU指標(biāo)進(jìn)行考察[4]，其中以該指標(biāo)作為生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行能耗成本的重要指標(biāo)，對節(jié)能性能進(jìn)行綜合評價，其中IPU 指標(biāo)越低，表面系統(tǒng)技能控制效果越理想，不同節(jié)能控制目標(biāo)中節(jié)能成效見表2。

表2 不同節(jié)能控制目標(biāo)中節(jié)能成效

由表2可知，控制目標(biāo)0作為任何節(jié)能操作與管理的效果對比空白組。從節(jié)能成效來看，無論選擇自動化控制或人為控制，都能夠滿足一定的節(jié)能目標(biāo)，在20%控制目標(biāo)下，人工控制能耗下降9.46%，自動化控制下降14.59%，顯然自動化控制節(jié)能效果更好。

4.2 應(yīng)用要點(diǎn)

在供配電節(jié)能控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，雖然節(jié)能效果良好，但是在實際應(yīng)用中也存在一定缺陷，仍然需要在后續(xù)實踐應(yīng)用中不斷優(yōu)化升級，具體包括：一是系統(tǒng)節(jié)能控制需要多個要素協(xié)調(diào)配合，實際經(jīng)營中企業(yè)除了構(gòu)建高效節(jié)能的供配電體系以外，還要配備完善的設(shè)備能耗調(diào)控系統(tǒng)和流程能耗分析系統(tǒng)，對電氣節(jié)能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。二是企業(yè)在機(jī)械設(shè)備應(yīng)用時要重視節(jié)能設(shè)備，機(jī)械設(shè)備節(jié)能不僅可以創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價值，同時也具備社會價值和環(huán)保價值，實現(xiàn)企業(yè)、社會和環(huán)境多方共贏。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)電氣工程自動化控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，應(yīng)科學(xué)設(shè)計供配電節(jié)能控制方案，明確節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用的重要性，強(qiáng)化企業(yè)節(jié)能環(huán)保意識，利用科學(xué)的供配電控制系統(tǒng)改造，分析節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用成效，為機(jī)械設(shè)備自動化控制水平的提升奠定基礎(chǔ)。