基于PLC技術(shù)的中央廚房排風(fēng)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，被視為一種解決方案。通過將節(jié)能功能整合到PLC系統(tǒng)中，可以針對(duì)中央廚房排風(fēng)機(jī)的能耗問題進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)變頻器下的節(jié)能自動(dòng)化調(diào)速。鑒于此，本文選擇能耗顯著的中央廚房排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，著重研究基于PLC技術(shù)的風(fēng)機(jī)變頻器的節(jié)能改進(jìn)策略。

一、PLC技術(shù)與變頻器的相關(guān)概述

（一）PLC技術(shù)的概述

1.PLC技術(shù)的內(nèi)涵

可編程邏輯控制器（PLC）不僅是一種特殊的微處理器，更是為工業(yè)控制應(yīng)用量身定做的核心組件。它基于一種高度專業(yè)化的數(shù)字式操作系統(tǒng)，具備存儲(chǔ)和執(zhí)行一系列指令集的能力。這些指令集涵蓋了從簡(jiǎn)單的邏輯操作到復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和通訊功能。PLC的出現(xiàn)意味著對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制方式的革命性突破，其根本目的在于滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于更強(qiáng)大、靈活和穩(wěn)定的自動(dòng)化控制需求。

2.PLC技術(shù)特點(diǎn)

PLC技術(shù)的多個(gè)顯著特點(diǎn)使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獨(dú)樹一幟。首先，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊而高效，用戶界面友好，使得工程師可以方便快捷地進(jìn)行編程和維護(hù)工作。再者，PLC內(nèi)置的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，而且能迅速定位故障點(diǎn)，大大增強(qiáng)了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，其對(duì)多種現(xiàn)代通訊協(xié)議的支持使得PLC可以無縫地與其他工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)集成，為整體工程解決方案提供了極大的靈活性。此外，PLC的模塊化設(shè)計(jì)理念確保了其在應(yīng)對(duì)復(fù)雜工業(yè)任務(wù)時(shí)的擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求靈活選擇和添加功能模塊。而PLC的強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，使其能夠在各種溫度、濕度、電磁干擾等惡劣工業(yè)環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行，確保生產(chǎn)線的連續(xù)性和安全性。

（二）變頻器的概述

1.變頻器的工作原理

變頻器是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的設(shè)備，它為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度和扭矩的精確控制提供了基礎(chǔ)。變頻器的基本工作原理是調(diào)整供電給電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率。其核心功能在于，它能夠?qū)⒐潭l率的電源（如工廠中常見的50Hz或60Hz）轉(zhuǎn)換為一個(gè)可變的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)整。這種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式不僅能夠提供更為柔和的啟動(dòng)、加速和制動(dòng)，從而保護(hù)機(jī)械設(shè)備，而且可以在不同的運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)最佳的能效比，為企業(yè)節(jié)約大量能源開銷。

2.變頻器結(jié)構(gòu)組成

變頻器的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了復(fù)雜的電力電子技術(shù)。它的關(guān)鍵組件如下：首先，輸入濾波器扮演著關(guān)鍵的角色，能夠消除來自電網(wǎng)的高頻噪聲和電流浪涌，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、無干擾的電源。接下來，整流器模塊將這個(gè)穩(wěn)定的交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)模塊提供工作電源。中間直流環(huán)節(jié)，通常采用大容量的電容器來存儲(chǔ)和穩(wěn)定這個(gè)直流電。而逆變器模塊則是變頻器的心臟，它負(fù)責(zé)將穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率和幅值的交流電，以滿足不同應(yīng)用的需求。最后，輸出濾波器對(duì)逆變器輸出的交流電進(jìn)行最后的平滑處理，確保電機(jī)獲得的電源信號(hào)高質(zhì)量、低噪聲。這一系列精心設(shè)計(jì)的模塊組合確保了變頻器能夠高效、穩(wěn)定且可靠地工作[1]。

二、基于PLC技術(shù)的中央廚房排煙風(fēng)機(jī)變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）變頻控制需求分析

中央廚房的排風(fēng)機(jī)都是按照烹飪?cè)O(shè)備最大排風(fēng)量設(shè)計(jì)，以滿足烹飪?cè)O(shè)備全部運(yùn)行工況下的排風(fēng)需求。實(shí)際生產(chǎn)階段，并不是每臺(tái)設(shè)備都處于使用狀態(tài)?，F(xiàn)有系統(tǒng)不能根據(jù)實(shí)際需求及時(shí)地調(diào)整排風(fēng)機(jī)功率，這就造成了極大的資源浪費(fèi)。因此，變頻控制成為中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)的精確控制，使其運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)上，從而達(dá)到節(jié)能效果?；赑LC技術(shù)的變頻控制系統(tǒng)，不僅具備高可靠性、靈活性和實(shí)時(shí)性，還能與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)無縫對(duì)接，滿足現(xiàn)代建筑的智能化和節(jié)能化需求。

（二）變頻節(jié)能控制流程

中央廚房排風(fēng)變頻節(jié)能控制流程為了適應(yīng)實(shí)際的運(yùn)行變化并達(dá)到節(jié)能目的，依賴于一個(gè)三步流程。首先，在烹飪?cè)O(shè)備上方排煙口區(qū)域安裝傳感器，對(duì)下方設(shè)備的使用狀態(tài)，如溫度、風(fēng)壓等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將關(guān)鍵參數(shù)信號(hào)傳至PLC控制器。

接下來，PLC根據(jù)收到傳感器群的數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和分析，系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)置的數(shù)十種智能算法，計(jì)算排風(fēng)機(jī)的合理工作頻率。

第三步，PLC控制器依據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)決策，例如調(diào)整排風(fēng)管道的風(fēng)口開合數(shù)量及角度，以及通過變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)際需要的排風(fēng)量運(yùn)行。基于傳感器、數(shù)據(jù)通訊，控制器會(huì)進(jìn)行反饋與實(shí)時(shí)調(diào)整，確保排風(fēng)系統(tǒng)始終在其最佳工作狀態(tài)下運(yùn)行，從而有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[2]。

三、中央廚房排風(fēng)變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件配置

（一）PLC主控模塊

PLC主控模塊扮演著中央處理器的角色，是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分。其基礎(chǔ)職責(zé)是持續(xù)地接收輸入信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)下游設(shè)備或其他相關(guān)系統(tǒng)。在大型中央控制系統(tǒng)中，這一流程需要極高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，因?yàn)槿魏挝⑿〉难舆t或誤差都可能對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性造成影響。

選擇合適的PLC主控模塊至關(guān)重要。以西門子的S7系列為例，其S7-1200型號(hào)不僅提供了高速處理能力，而且兼具了穩(wěn)定性和靈活性。其CPU處理能力強(qiáng)大，可以輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的控制邏輯和算法，S7-1200的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信功能，確保了在多設(shè)備協(xié)同工作時(shí)的數(shù)據(jù)同步和通信流暢性。此外，考慮到不同的項(xiàng)目需求和場(chǎng)地限制，該系列還為用戶提供了各種擴(kuò)展模塊，使得系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中能夠根據(jù)需要進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)充或功能增強(qiáng)，極大地提高了系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用價(jià)值和適應(yīng)性。

（二）變頻器模塊

在今天的中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)中，變頻器模塊已經(jīng)成為一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)組成部分。通過對(duì)電機(jī)的工作頻率進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，變頻器可以確保電機(jī)在從低至高的各種負(fù)荷狀態(tài)下都能保持最佳的運(yùn)行效率。這種對(duì)電機(jī)速度的精確控制技術(shù)，使中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)不僅能有效地降低能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能顯著地減少設(shè)備的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)其壽命，并為使用者提供持續(xù)且穩(wěn)定的室內(nèi)舒適環(huán)境。

ABB公司的ACS510的高效運(yùn)行并非其唯一的賣點(diǎn)。其內(nèi)置的自適應(yīng)控制技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的算法，使它能夠?qū)崟r(shí)感知系統(tǒng)的變化，從而實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。這種自適應(yīng)技術(shù)確保了電機(jī)無論在哪種負(fù)荷情況下都能保持其最佳狀態(tài)。為了進(jìn)一步確保變頻器的穩(wěn)定性和電機(jī)的安全運(yùn)行，ABB在ACS510中整合了先進(jìn)的多重保護(hù)機(jī)制。從過熱、過電流到過電壓，每一個(gè)可能的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)都被嚴(yán)格地監(jiān)控。這些保護(hù)功能不僅增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性，更是提供了一個(gè)額外的安全網(wǎng)，使得運(yùn)維人員在進(jìn)行日常監(jiān)控和維護(hù)時(shí)，能夠有更多的信心和保障。

（三）觸摸屏人機(jī)交互模塊

在當(dāng)代自動(dòng)化系統(tǒng)中，觸摸屏人機(jī)交互模塊已經(jīng)成為幾乎不可或缺的組成部分。這種模塊不僅僅是為了展示系統(tǒng)的運(yùn)行信息，更重要的是為操作人員提供一個(gè)直觀、易于理解和操作的界面。Weinview觸控的MT8000系列觸摸屏是其中的佼佼者。其高達(dá)16.7M的真彩色顯示能夠確保圖形和文本的清晰度，讓復(fù)雜的數(shù)據(jù)和圖表變得生動(dòng)和容易解讀。

MT8000系列所支持的多種通訊協(xié)議賦予了它強(qiáng)大的兼容性和擴(kuò)展性。無論是Modbus、Profinet還是EtherCAT，都使得這款觸摸屏能夠輕松地與各種PLC和其他控制模塊集成，形成一個(gè)高效、穩(wěn)定的控制網(wǎng)絡(luò)。不僅如此，它的低延遲特性，特別是10ms的快速反應(yīng)時(shí)間，確保了任何用戶輸入或系統(tǒng)變化都能夠被迅速地反映在屏幕上，為操作人員提供了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的反饋，確保中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

（四）溫度傳感器

位于整個(gè)系統(tǒng)前端的溫度傳感器模塊，扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅監(jiān)測(cè)溫度變化，還為整個(gè)系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)可以在各種情況下進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整。在技術(shù)特點(diǎn)方面，溫度傳感器的物理設(shè)計(jì)和工程選擇也起到了決定性的作用。

溫度傳感器可根據(jù)不同類型的烹飪?cè)O(shè)備特點(diǎn)安裝不同類型傳感器。針對(duì)中式烹飪?cè)O(shè)備采用Honeywell公司的接觸式PT1000傳感器，PT1000系列選擇了不銹鋼作為其制造材料，這不僅確保了其對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)和元素的耐腐蝕性，使用中央廚房加工環(huán)境，其令人難以置信的±0.1℃的測(cè)量精度，為中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)，從而提高系統(tǒng)的總體效率和響應(yīng)速度。

針對(duì)西式烹飪?cè)O(shè)備采用FULKE公司的非接觸式的Raytek Compact CI 激光溫度傳感器，該傳感器體積小巧，采用堅(jiān)固的不銹鋼機(jī)身，密封等級(jí)達(dá)到 IP65 (NEMA-4)。響應(yīng)速度高達(dá)350mSec，光學(xué)分辨率達(dá)到4：1。具有測(cè)量距離遠(yuǎn)，溫度測(cè)量精度高的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)通訊方面，其4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出是傳感器與PLC間溝通的橋梁。

（五）前端處理單元

位于設(shè)備上方的前端處理單元采用RLT 公司的HTVC-H9 模塊，模塊采用ARM芯片，配套預(yù)設(shè)的專用算法軟件，對(duì)PT1000、Compact CI 激光溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控烹飪?cè)O(shè)備使用情況，實(shí)時(shí)控制排風(fēng)管道的閥門開合。由由于中央廚房設(shè)備體量較大，HTVC-H9模塊采用通訊組網(wǎng)方式聯(lián)接，不僅確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的集成和維護(hù)過程，確保了設(shè)備之間的順暢溝通，提高了整個(gè)中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

四、中央廚房排風(fēng)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（一）PLC 主控程序設(shè)計(jì)

在中央廚房的排風(fēng)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中，為了更加精細(xì)、有效地管理能耗，PLC的變頻節(jié)能控制程序被設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)化和模塊化的。這樣的設(shè)計(jì)旨在確保程序的靈活性和可維護(hù)性，同時(shí)也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。核心的PLC主控程序依賴于S7-1200，這種PLC因其高效的PID控制特性而被廣大工程師所推崇。其算法允許系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)（例如，環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)性能曲線等）實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)的能耗功率。這不僅可以最大化地節(jié)約能源，而且還可以確保排風(fēng)系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

（二） 觸摸屏操作程序設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，用戶界面的重要性日益增加，特別是為操作員提供的交互界面，它需要簡(jiǎn)單、直觀且功能齊全。選擇Weinview的EasyBuilder Pro 組態(tài)軟件為這一目標(biāo)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。這款軟件支持多種編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，從而為復(fù)雜的控制邏輯、數(shù)據(jù)收集和分析提供了可能性。加上其豐富的圖形庫(kù)和多媒體支持，我們可以設(shè)計(jì)出直觀、生動(dòng)的交互界面。

在設(shè)計(jì)過程中，考慮到操作員可能面對(duì)的各種任務(wù)和挑戰(zhàn)，如突發(fā)的設(shè)備故障、系統(tǒng)調(diào)優(yōu)或日常維護(hù)等，因此為溫度傳感器及前端處理單元和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分別設(shè)計(jì)了操作和監(jiān)控界面。操作界面不僅具有傳統(tǒng)的啟停和調(diào)速功能，還集成了先進(jìn)的故障診斷和預(yù)防維護(hù)功能。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度傳感器和前端處理單元的某一部分可能存在隱患時(shí)，它會(huì)在觸摸屏上以醒目的方式提示操作員，并提供相應(yīng)的維護(hù)建議。此外，監(jiān)控界面將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效的可視化處理，如通過顏色、形狀和動(dòng)畫等方式，使得操作員可以在第一時(shí)間了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。讓操作員可以直觀地感受到各種參數(shù)的變化和系統(tǒng)的整體狀況。這樣，觸摸屏不僅成為了操作員與系統(tǒng)之間的橋梁，還在某種程度上成為了他們的助手和顧問，幫助他們更加高效、安全地完成任務(wù)[3]。

五、結(jié)語

總而言之，變頻器在電氣系統(tǒng)中的作用不容忽視，而其潛在的高能耗問題對(duì)資源和效率都構(gòu)成了挑戰(zhàn)。PLC技術(shù)為這一問題提供了一種獨(dú)特而高效的解決方法，尤其在中央廚房排風(fēng)系統(tǒng)中，基于PLC的節(jié)能策略有望為實(shí)現(xiàn)更為綠色和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行提供有力支撐。期望未來的應(yīng)用與研究能進(jìn)一步完善這些策略，使得電氣系統(tǒng)的能效和可靠性都得到進(jìn)一步提升。

本文來源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》http://12-baidu.cn/w/kj/32519.html