基于PLC技術的中央廚房排風變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設計

PLC技術以其強大的數據處理和實時監(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，可以針對中央廚房排風機的能耗問題進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)變頻器下的節(jié)能自動化調速。鑒于此，本文選擇能耗顯著的中央廚房排風機系統(tǒng)作為研究對象，著重研究基于PLC技術的風機變頻器的節(jié)能改進策略。

一、PLC技術與變頻器的相關概述

（一）PLC技術的概述

1.PLC技術的內涵

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)控制應用量身定做的核心組件。它基于一種高度專業(yè)化的數字式操作系統(tǒng)，具備存儲和執(zhí)行一系列指令集的能力。這些指令集涵蓋了從簡單的邏輯操作到復雜的算術運算、數據處理和通訊功能。PLC的出現(xiàn)意味著對傳統(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)生產中對于更強大、靈活和穩(wěn)定的自動化控制需求。

2.PLC技術特點

PLC技術的多個顯著特點使其在工業(yè)控制領域獨樹一幟。首先，其結構設計緊湊而高效，用戶界面友好，使得工程師可以方便快捷地進行編程和維護工作。再者，PLC內置的實時故障檢測和診斷系統(tǒng)不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，而且能迅速定位故障點，大大增強了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，其對多種現(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的模塊化設計理念確保了其在應對復雜工業(yè)任務時的擴展性，用戶可以根據實際生產需求靈活選擇和添加功能模塊。而PLC的強大的環(huán)境適應能力，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)定運行，確保生產線的連續(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)中不可或缺的設備，它為實現(xiàn)電動機速度和扭矩的精確控制提供了基礎。變頻器的基本工作原理是調整供電給電動機的電壓和頻率。其核心功能在于，它能夠將固定頻率的電源（如工廠中常見的50Hz或60Hz）轉換為一個可變的頻率，從而實現(xiàn)對電動機轉速的實時調整。這種轉速調節(jié)方式不僅能夠提供更為柔和的啟動、加速和制動，從而保護機械設備，而且可以在不同的運行條件下實現(xiàn)最佳的能效比，為企業(yè)節(jié)約大量能源開銷。

2.變頻器結構組成

變頻器的設計體現(xiàn)了復雜的電力電子技術。它的關鍵組件如下：首先，輸入濾波器扮演著關鍵的角色，能夠消除來自電網的高頻噪聲和電流浪涌，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定、無干擾的電源。接下來，整流器模塊將這個穩(wěn)定的交流電源轉換為直流電，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和穩(wěn)定這個直流電。而逆變器模塊則是變頻器的心臟，它負責將穩(wěn)定的直流電轉換為可調頻率和幅值的交流電，以滿足不同應用的需求。最后，輸出濾波器對逆變器輸出的交流電進行最后的平滑處理，確保電機獲得的電源信號高質量、低噪聲。這一系列精心設計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技術的中央廚房排煙風機變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設計方案

（一）變頻控制需求分析

中央廚房的排風機都是按照烹飪設備最大排風量設計，以滿足烹飪設備全部運行工況下的排風需求。實際生產階段，并不是每臺設備都處于使用狀態(tài)。現(xiàn)有系統(tǒng)不能根據實際需求及時地調整排風機功率，這就造成了極大的資源浪費。因此，變頻控制成為中央廚房排風系統(tǒng)節(jié)能的關鍵。變頻技術可以實現(xiàn)排風系統(tǒng)的精確控制，使其運行在最佳工作點上，從而達到節(jié)能效果。基于PLC技術的變頻控制系統(tǒng)，不僅具備高可靠性、靈活性和實時性，還能與其他自動控制系統(tǒng)無縫對接，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

中央廚房排風變頻節(jié)能控制流程為了適應實際的運行變化并達到節(jié)能目的，依賴于一個三步流程。首先，在烹飪設備上方排煙口區(qū)域安裝傳感器，對下方設備的使用狀態(tài)，如溫度、風壓等進行監(jiān)測，將關鍵參數信號傳至PLC控制器。

接下來，PLC根據收到傳感器群的數據，執(zhí)行數據處理和分析，系統(tǒng)運行預置的數十種智能算法，計算排風機的合理工作頻率。

第三步，PLC控制器依據分析結果做出相應決策，例如調整排風管道的風口開合數量及角度，以及通過變頻器實時調整風機運行速度，實現(xiàn)實際需要的排風量運行?；趥鞲衅?、數據通訊，控制器會進行反饋與實時調整，確保排風系統(tǒng)始終在其最佳工作狀態(tài)下運行，從而有效實現(xiàn)節(jié)能效果[2]。

三、中央廚房排風變頻器節(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，是整個自動化系統(tǒng)中最為關鍵的部分。其基礎職責是持續(xù)地接收輸入信號，經過內部邏輯處理后，發(fā)出相應的輸出信號去驅動下游設備或其他相關系統(tǒng)。在大型中央控制系統(tǒng)中，這一流程需要極高的實時性和準確性，因為任何微小的延遲或誤差都可能對整體系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性造成影響。

選擇合適的PLC主控模塊至關重要。以西門子的S7系列為例，其S7-1200型號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處理能力強大，可以輕松應對各種復雜的控制邏輯和算法，S7-1200的實時以太網通信功能，確保了在多設備協(xié)同工作時的數據同步和通信流暢性。此外，考慮到不同的項目需求和場地限制，該系列還為用戶提供了各種擴展模塊，使得系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中能夠根據需要進行規(guī)模擴充或功能增強，極大地提高了系統(tǒng)的長期使用價值和適應性。

（二）變頻器模塊

在今天的中央廚房排風系統(tǒng)中，變頻器模塊已經成為一個不可或缺的關鍵技術組成部分。通過對電機的工作頻率進行細致調整，變頻器可以確保電機在從低至高的各種負荷狀態(tài)下都能保持最佳的運行效率。這種對電機速度的精確控制技術，使中央廚房排風系統(tǒng)不僅能有效地降低能源消耗，提高經濟效益，同時也能顯著地減少設備的機械磨損，延長其壽命，并為使用者提供持續(xù)且穩(wěn)定的室內舒適環(huán)境。

ABB公司的ACS510的高效運行并非其唯一的賣點。其內置的自適應控制技術，結合先進的算法，使它能夠實時感知系統(tǒng)的變化，從而實時調整電機的運行速度。這種自適應技術確保了電機無論在哪種負荷情況下都能保持其最佳狀態(tài)。為了進一步確保變頻器的穩(wěn)定性和電機的安全運行，ABB在ACS510中整合了先進的多重保護機制。從過熱、過電流到過電壓，每一個可能的風險點都被嚴格地監(jiān)控。這些保護功能不僅增強了設備的可靠性，更是提供了一個額外的安全網，使得運維人員在進行日常監(jiān)控和維護時，能夠有更多的信心和保障。

（三）觸摸屏人機交互模塊

在當代自動化系統(tǒng)中，觸摸屏人機交互模塊已經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)的運行信息，更重要的是為操作人員提供一個直觀、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16.7M的真彩色顯示能夠確保圖形和文本的清晰度，讓復雜的數據和圖表變得生動和容易解讀。

MT8000系列所支持的多種通訊協(xié)議賦予了它強大的兼容性和擴展性。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，形成一個高效、穩(wěn)定的控制網絡。不僅如此，它的低延遲特性，特別是10ms的快速反應時間，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確、實時的反饋，確保中央廚房排風系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行。

（四）溫度傳感器

位于整個系統(tǒng)前端的溫度傳感器模塊，扮演著至關重要的角色。它不僅監(jiān)測溫度變化，還為整個系統(tǒng)提供了準確的溫度數據，確保系統(tǒng)可以在各種情況下進行適時的調整。在技術特點方面，溫度傳感器的物理設計和工程選擇也起到了決定性的作用。

溫度傳感器可根據不同類型的烹飪設備特點安裝不同類型傳感器。針對中式烹飪設備采用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，這不僅確保了其對各種化學物質和元素的耐腐蝕性，使用中央廚房加工環(huán)境，其令人難以置信的±0.1℃的測量精度，為中央廚房排風系統(tǒng)提供了實時且準確的溫度讀數，從而提高系統(tǒng)的總體效率和響應速度。

針對西式烹飪設備采用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，采用堅固的不銹鋼機身，密封等級達到 IP65 (NEMA-4)。響應速度高達350mSec，光學分辨率達到4：1。具有測量距離遠，溫度測量精度高的特點。在數據通訊方面，其4-20mA的標準輸出是傳感器與PLC間溝通的橋梁。

（五）前端處理單元

位于設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，配套預設的專用算法軟件，對PT1000、Compact CI 激光溫度傳感器進行數據處理，監(jiān)控烹飪設備使用情況，實時控制排風管道的閥門開合。由由于中央廚房設備體量較大，HTVC-H9模塊采用通訊組網方式聯(lián)接，不僅確保了數據的準確性，還大大簡化了系統(tǒng)的集成和維護過程，確保了設備之間的順暢溝通，提高了整個中央廚房排風系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

四、中央廚房排風變頻節(jié)能控制系統(tǒng)程序設計

（一）PLC 主控程序設計

在中央廚房的排風變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中，為了更加精細、有效地管理能耗，PLC的變頻節(jié)能控制程序被設計為結構化和模塊化的。這樣的設計旨在確保程序的靈活性和可維護性，同時也便于系統(tǒng)的擴展和升級。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)根據輸入的數據（例如，環(huán)境溫度、風機性能曲線等）實時計算出最優(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系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)下運行。

（二） 觸摸屏操作程序設計

在現(xiàn)代自動化控制系統(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，它需要簡單、直觀且功能齊全。選擇Weinview的EasyBuilder Pro 組態(tài)軟件為這一目標提供了堅實的技術基礎。這款軟件支持多種編程語言、數據結構和算法，從而為復雜的控制邏輯、數據收集和分析提供了可能性。加上其豐富的圖形庫和多媒體支持，我們可以設計出直觀、生動的交互界面。

在設計過程中，考慮到操作員可能面對的各種任務和挑戰(zhàn)，如突發(fā)的設備故障、系統(tǒng)調優(yōu)或日常維護等，因此為溫度傳感器及前端處理單元和風機運行狀態(tài)分別設計了操作和監(jiān)控界面。操作界面不僅具有傳統(tǒng)的啟停和調速功能，還集成了先進的故障診斷和預防維護功能。例如，當系統(tǒng)檢測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，它會在觸摸屏上以醒目的方式提示操作員，并提供相應的維護建議。此外，監(jiān)控界面將關鍵數據進行了有效的可視化處理，如通過顏色、形狀和動畫等方式，使得操作員可以在第一時間了解系統(tǒng)的運行狀況。讓操作員可以直觀地感受到各種參數的變化和系統(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[3]。

五、結語

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資源和效率都構成了挑戰(zhàn)。PLC技術為這一問題提供了一種獨特而高效的解決方法，尤其在中央廚房排風系統(tǒng)中，基于PLC的節(jié)能策略有望為實現(xiàn)更為綠色和經濟的運行提供有力支撐。期望未來的應用與研究能進一步完善這些策略，使得電氣系統(tǒng)的能效和可靠性都得到進一步提升。

本文來源：《產品可靠性報告》http://m.00559.cn/w/kj/32519.html