基于PLC的校園節能供電系統智能設計

胡建華

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

關鍵詞：節能 FX2N PLC FX2N—2AD模塊 昆侖通態觸摸屏

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

一、校園概況分析

校園用電具有區域性和時間性相結合的特點。傳統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設備和儀器的添置，使用過程中造成的電能浪費更不容忽視。為了節約用電，加強學生管理，強化學生按照學校規定進行學習和作息，我們把校園按照區域進行劃分，以PLC為核心實現各個區域供電的控制。以筆者所在學校校園為例，校園總體可以劃分為如下幾個主要用電區域：教學區包括教學樓、圖書館、辦公樓和實訓樓；生活區包括學生宿舍樓、學生活動中心、食堂；公共區包括校園操場路燈、走道的路燈。

教學區，教學樓、圖書館、實訓樓的供電是學校教學工作正常進行的有力保障。從節約角度考慮，其供電改造可分兩路來控制：一路為教室、實訓車間、實驗室、圖書室的照明設備、多媒體教學設備、機床設備的供電，在日常教學期間應連續供電，待學生晚自習結束后則無需供電，具有時間性，可以采取三菱FX2N系列PLC的時鐘數據運算指令編程來實現時間段控制；另一路為空調的供電，空調一般是在夏冬季節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。

生活區主要是管理好學生宿舍，營造一個良好的學生休息娛樂區，保證學生有充沛的精力。根據學生和學校的實際情況，在一天作息的幾個休息時間，宿舍樓、學生活動中心應保證供電，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的時鐘數據指令編程控制，空調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來實現控制。

公共區應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來實現控制。當光線不足時，啟動相應的控制程序來控制，為防止同時啟動造成較大的電網沖擊，可以設定各部分按一定的時間間隔順序得電，減小對電網的沖擊。

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供電變壓器出現超負荷的情況。學校的干式電力變壓器型號SGB10-400/10，額定容量S為400kVA，一旦出現超負荷情況，會嚴重影響學校正常的教學秩序，因此要做到對變壓器的實時監控。

按照需要系數法計算，教學樓空調電源的電流總和為119.2A，因此，通過觀察配電房中配電柜上電流表的讀數，斷開教學樓、圖書館、實訓樓、辦公樓、宿舍樓、學生活動中心的空調電源，從而保證教學區和生活區照明設備電源的正常供電。

學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；下午放學寢室開放時間：15：10～18：20；晚自習時間：18：30～20：15；晚自習結束后寢室開放時間：20：15～22：00；22：00～07：00寢室關燈休息。綜上所述，學校校園區域控制總體邏輯關系應為：7：35～20：20，教學區和公共區供電，生活區停止供電，其余間隔休息時間則相反，而應季節氣候之變，生活區空調應有所調控。

二、校園供電網絡改造的具體實施（以教學樓、宿舍樓為例）

1.供電改造思路設計

在上課時間段，即07：40～20：15之間，各教室照明、多媒體教學設備的電源應供電，但為了提前準備和適當緩沖，程序編寫時相應提前和延后5分鐘，即在07：35～20：20供電電源應接通，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，各寢室照明設備的電源應供電，其余時間斷開；教室和寢室空調電源的供電應根據溫度決定，設定在溫度高于30℃、低于5℃時空調電源應供電，其余溫度下則斷開。每年寒暑假季節，教學樓、宿舍樓不需要供電，將配電控制柜中的空氣開關拉閘即可。

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下端串聯交流接觸器的方法來實現控制。

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

3.程序設計

（1）照明設備供電電源的控制程序。三菱FX2N系列PLC實時時鐘的時間數據存放在寄存器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，用于改造教學樓電網的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。通過萬年歷數據讀取指令TRD，將萬年歷實時時間數據讀出到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樓電網的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樓各教室照明、電視、多媒體教學設備的單相供電電源；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內部萬年歷實時時間的設置，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“時鐘設置”，將PLC內萬年歷時鐘設置成與計算機同步的當前時間和星期，則D8013～D8019就與計算機的當前時間保持一致，并逐秒開始計時。

（2）空調電源的控制程序。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，通過編寫程序將模擬量輸入信號（4～20mA或0～5VDC信號）轉換為12位的數字量，用FROM指令讀入到PLC的數據寄存器D40中，即為當前環境下的溫度。采取區間比較指令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，串聯后去置位用于改造教學樓電源的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樓各教室空調的三相供電電源；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的單相供電電源。

4.觸摸屏實時監控

MCGS組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制，通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便地開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。因此，我們在此次改造中使用了觸摸屏監控。在觸摸屏軟件上制作好用戶畫面后，通過FX2N—485BD通信協議與PLC進行通信傳輸，可實現各樓層照明、空調供電狀態的全方位監控，斷電顯示紅燈，通電顯示綠燈。

三、在電能節約上帶來的經濟效益

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

此外，本系統還可以結合校園電子鐘系統、校園安防系統等構成全方位校園智能化管理系統。

參考文獻：

[1]陳旋輝.PLC在校園供用電自動化管理的應用[J].節能與環保，2004（9）.

[2]郭艷萍.電氣控制與PLC技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]阮友德.PLC、變頻器、觸摸屏綜合應用實訓[M].北京：中國電力出版社，2008.

（作者單位：杭州市輕工高級技工學校）endprint