s11图书馆可视化节能系统论文.doc

图书馆可视化节能系统胡燕南 陈露 陈晓亮 （金陵科技学院 机电工程学院，江苏 南京 211169）摘 要： 随着现代科技的发展，人类对能源的需求越来越大，有限的能源储存与不断增长的能源需求之间的矛盾日益严重，节能显得日益重要。三菱电机提出的可视化节能理念作为一个新理念正逐渐被推广。本文以图书馆为例，从图书馆存在的主要能耗问题，如照明、空调、计算机用电入手，系统性介绍了图书馆可视化节能系统。本系统在结构上分为数据采集层、数据传输层和实时监控层。数据采集层由远程I/O模块、远程设备站、能量监测模块、特殊功能模块以及分布在各用电设备终端的检测模块等组成，负责采集系统所需的环境参数以及楼层供电主回路的运行参数；数据传输层由采用CC-Link现场总线技术2的网络通信模块和主站可编程逻辑控制器PLC组成，进行主站控制命令的发送和执行，实现数据传输以及对底层设备的控制。关 键 词： PLC；CC-Link现场总线；变频器；电流互感器；A/D转换器；D/A转换器中图分类号：TP 文献标识码：A Visible Energy Saving System in the LibraryHU Yan-nan CHEN Lu CHEN Xiao-liang(Mechanical and Electrical Engineering，JINLNG Institute of Technology，Nanjing，211169, China )Abstract: With the development of modern technology, mankinds demand for energy is growing; Conflicts between limited energy storage and the growing energy demand are increasingly serious. Energy is becoming increasingly important. As a new concept, visible energy saving idea proposed by Mitsubishi Electric is being approved. In this paper, we make the library as a example. From the main energy issues, such as lighting, air conditioning, computers electric start, systematically introduces the visible energy saving system in the library. The system is divided into data acquisition, data transport, and real-time monitoring. Data acquisition is made of remote I/O modules, remote device station, energy monitoring module, special function modules, and detection module. It is responsible for collecting environmental parameters required for the system and floor-powered operating parameters of the main circuit. Data transport includes CC-Link Fieldbus technology network communication module and master station programmable logic controller PLC. Its duty is sending and executing control commands from the master, and accomplishing data transmission and controlling the underlying device. Key words: PLC; CC-Link Fieldbus; Converter; current transformer; A/D converter; D/A converter 1 引 言作者简介：胡燕南（1993-），女，汉族，江苏如皋人，本科在校生，电气工程及其自动化专业；陈露（1992-），女，汉族，湖北孝感人，本科在校生，电气工程及其自动化专业；陈晓亮（1993-），男，汉族，辽宁庄河人，本科在校生，电气工程及其自动化专业。随着快速发展所引起的环境与能源问题的加剧，以高效、洁净、低碳排放为标志的低碳经济已成为时代主流，节能减排也成为各国经济发展的重要战略目标3。节能不是指不使用能量，而是指在必要的时间里，在必要的场所，使用必要的量。可视化节能理念是从点到面的突破，改变以往仅优化单个用电设备的思维模式，实现整个用电系统的调控，以进行最优化的管理。可视化节能不但可以对自动控制相关设备（系统）的运行过程实时监控、还可以对设备(系统)的能耗数据进行分析计算，与系统的入力、出力产能相关数据、运行方法、环境条件、操作行为等系列参数进行综合比较，挖掘节能空间，提出整体解决方案。本项目通过构建一个模拟的校园图书馆可视化节能系统，实时监控图书馆内的用电情况，并对电能使用情况进行控制，以便合理调节用电，最终达到设备改善、运用改善和可视化管理的目的。文2介绍了当前图书馆存在的主要能耗问题，文3介绍了本系统所用设备，文4介绍了本系统分模块的设计，文5为主要电路图。2 当前图书馆存在的主要能耗问题目前，大多数图书馆能耗偏高。主要能耗体现在以下方面：1. 由于管理不便，各区域照明系统从图书馆开门到闭馆大都持续供电；2. 白天室内光照强度达到适当值时，该区域的灯没有自动熄灭；3. 部分人在电子阅览室使用完计算机后未能及时关闭计算机；4. 多数图书馆的中央空调仍为全手动控制，存在开关不及时、调节不恰当的问题；5. 无法监测图书馆的实时能耗，并采集数据做能耗分析。3 图书馆可视化节能系统所用设备3.1 三菱FX系列PLC三菱FX系列PLC具有高速处理及大量可扩展满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。本系统采用的PLC型号为FX2N-32MR-001，因其具有超高速的运算（0.08as/step），FX2N系列的小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中或高档次的超小型程序装置；可做8台主机连线。FX2N适用于最小的封装，提供多达32个I/O，并且能通过串行通信传输数据，所以它能用在紧凑性PLC不能应用的地方。定位和脉冲输出功能FX2N系列PLC单元可以同时输出2点100KHZ脉冲，配备有7条特殊的定位指令，包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对地址表达方式以及特殊脉冲输出控制5。3.2 CC-Link现场总线模块CCLink网络由1个主站和64个子站组成，通过屏蔽双绞线进行连接。在可视化节能系统中，CCLink总线可将控制信号和信息数据都以10Mbit/s的速度传送到现场网络，是一个以设备层为主的网络，可以覆盖较低层次的传感器和较高层次的控制层4。本节能系统中CCLink主站模块FX2N-16CCL-M是特殊扩展模块，占8个输入/输出点，它将FX系列的PLC分配作为CCLink系统中的主站。远程的I/O站和设备站可以与主站连接。通过使用CCLink接口模块FX2N-32CCL，两个或两个以上的PLC可以与各设备进行连接，形成一个简单的控制系统1。3.3 触摸屏触摸屏的应用实现了人机交流，使得管理者可以实时查看当前运行情况，并适当的做出调整。人性化的设计使得管理更加便捷合理。本系统采用三菱GOT1000。GOT1000采用64位处理器，内置USB接口，抗干扰能力强，耐压值为AC500V，寿命长。本系统通过设置触摸屏对话框，实现图书馆管理员对整个可视化节能系统的监控和调配。3.4 变频器本系统变频器选用三菱FR700系列，三菱FR700系列变频器的功率范围为0.75-630KW，采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行；采用简易磁通矢量控制方式，实现3HZ时输出转矩达120%；变频器/工频切换和实现多泵循环运行功能；内置独立的RS485通讯口；且内置PID；使用长寿命元器件；带有节能监控功能。本系统通过变频器控制空调电机，实现变频调速，以节约用电降低能耗6。3.5 AD、DA模块，传感器A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变成数字量。其模拟量可以是压力、温度、位移、湿度、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须是经过各种传感器把各种物理量转换成的电压或电流信号。本系统通过各类传感器采集系统所需信号，再通过A/D转换器转换为数字量给PLC处理，PLC处理分析所获得的信号，其中在智能温控子系统中，PLC处理后的数据通过D/A给变频器，实现一个数据采集、数据转换、数据处理的过程。4 图书馆可视化节能系统的设计图书馆可视化节能系统在结构上分为数据采集层、数据传输层和实时监控层。数据采集层由远程输入输出I/O模块、远程设备站、能量检测模块、特殊功能模块以及分布在各用电设备终端的检测模块等组成，负责采集系统所需的环境参数以及楼层供电主回路的运行参数；数据传数层由采用CCLink现场总线技术的网络通信模块和主战可编程控制器PLC组成，进行主战控制命令的发送和执行，实现数据传输以及对底层设备的控制。其总系统框图如下：图1 总系统框图在图1中： 特殊模块1指将温度检测模块检测出来的信号经A/D转换模块送至PLC处理，从而控制电风扇或空调的开启；特殊模块2指将湿度检测模块检测出来的信号先经A/D转换模块再给PLC处理，处理后的输出信号经D/A转换模块送至变频器去控制风机的转速。图书馆可视化节能系统在功能上可分为：智能节能照明子系统、智能温度湿度控制子系统、电子阅览室管理子系统和配电监控子系统。4.1 智能节能照明子系统本子系统的设计理念为：日照亮度满足需求时，及时熄灯；日照亮度不足时集中照明，提高利用率。学校图书馆一般可分为阅览室、自习室、电子阅览室。对于阅览室，应根据书籍摆放情况设定照明区域和照明亮度，并根据实时人数进行微调；对于自习室，应根据人数确定照明区域大小，强制集中照明；对于电子阅览室，应根据使用人数和计算机摆放情况确定照明区域。本子系统的实现方式如下：采用光控开关检测当前亮度是否适宜，作为开关量给PLC，采用人体红外传感器检测人数，由PLC计数。如果日照亮度不满足照明需求，则根据当前人数确定照明灯开启数量。图2 智能节能照明系统的系统框图4.2 智能温度湿度控制子系统本子系统有两个温度设定置a与b（ab），当当前环境温度达到a且不大于b时，系统将空调开关设置为不可开，并自动启动风扇；当阅览室的环境温度满足制冷或制热条件时，系统根据实时温度与规定温度的差值以及人体适宜温度确定空调设定的温度。另外，对人员集中的地方集中制冷或制热，对人员分散的地方分散制冷或制热。以此达到智能控制和节能的目的。储藏室是储藏学习资料，学生档案等场所，因此为了长久的保存学习资料供更多的学生学习就必须要控制储藏的空气湿度。智能温控子系统通过湿度传感器来检测空气湿度，与设定值进行比较，当湿度高于设定值时，排风扇开始工作；当室内湿度达到要求时，排风扇停止工作。本子系统的实现方式如下：由变频器、PLC、A/D和D/A转换模块、温度传感器等构成温差闭环自动控制，PLC控制器通过温度传感器采集现场温度数据，将数据经A/D转换后读入PLC控制器内存，PLC的处理器计算出温差值，然后根据温差值来控制变频器的频率，以控制变频电机的转速，控制热交换速度。对于空气湿度的控制，本子系统采用湿度传感器来检测空气湿度，信号经A/D转换后给PLC，由PLC处理。当高于设定值时，排风扇开始工作；当低于设定值时，排风扇延时停止工作。图 3 智能温度湿度控制框图4.3 电子阅览室管理子系统本子系统利用可视化能源管理系统对电子阅览室中的设备（计算机、空调、照明）进行实时监控。利用红外传感器检测阅览室中的人数，并将数据送至PLC处理，从而让阅览室中的那个区域的设备工作，强制学生集中学习，以达节能目的。图4 电子阅览室管理系统框图4.4 配电监控子系统本子系统旨在对用电情况进行实时监控，采集各时段各区域的用电情况，以便管理员进行系统分析，并做出适当调整，以求最大限度的降低能耗。本系统使用了电流互感器，电流互感器具有变换和电气隔离的作用，所以本系统应用了电流互感器、单相交流电流变送器以及A/D转换器检测电流，对图书馆的配电系统进行实时监控。我们通过在总配电柜进线端装电流互感器以及在图书馆每一层的进线端装电流互感器来采集每一层的数据，并将所得数据送至PLC进行处理，若出现非正常能耗，则报警，必要时强制减少负载。图5 配电监控系统框图图6 配电监控系统电路图5 图书馆可视化节能系统电路图图7 主电路图图8 CC-Link主从站接线图6 结束语在智能节能照明子系统中，PLC能准确的根据照度传感器和红外传感器传送的信号，有效的控制了照明灯开启的数量。在智能温度湿度控制子系统中，利用温度传感器检测到的信号来控制空调的工作状态，即环境温度低于设定值时，则空调不能开启；当环境温度高于设定值时，空调能自动开启进行工作。本子系统以同样的原理，对储藏室中的排风扇进行了控制，以便节能。在配电监控子系统中，利用在总配电柜进线端装电流互感器以及在图书馆每一层的进线端装电流互感器来采集每一层的数据，并将所得数据送至PLC进行处理，实现了对各区域用电情况的监控与分析，并能做出适当的调整。本图书管可视化节能系统成功实现了电能的实时监控，并实现了智能节能照明、智能温控湿控、储藏室管理等。模拟系统并未模拟电子阅览室的分区域管理，但此子系统的控制原理与智能节能照明子系统类似。模拟系统尚有许多不足之处，比如在采集到能耗数据的基础上，管理员和控制系统具体该如何动作。通过此次对图书馆可视化节能系统的研究，我们对可视化节能有了更为全面的认识。可视化节能将设备改善和运用改善完美的结合起来，依据可视管理具体把握能量消耗的动向，做到最适合化。在管理上，能够明确的找出以前被忽略掉的能源浪费，与节能分析系统找出的一些设备上的能耗问题想结合，对症下药，实现运用改善和设备改善的持续性。近年来各级政府对可视化节能高度重视，一直在从各个方面不断加大宣传实施力度，使得可视化节能技术在各省市纷纷得到推广，同时也取得了一定的成就。在图书管可视化节能系统中通过运用可视化节能技术，实施图书馆用电的实时检测与智能控制，实现在必要的场所，在必要的时间