基于PLC技术的中央厨房排风变频节能控制系统设计

PLC技术以其强大的数据处理和实时监控功能，被视为一种解决方案。通过将节能功能整合到PLC系统中，可以针对中央厨房排风机的能耗问题进行优化，从而实现变频器下的节能自动化调速。鉴于此，本文选择能耗显著的中央厨房排风机系统作为研究对象，着重研究基于PLC技术的风机变频器的节能改进策略。

一、PLC技术与变频器的相关概述

（一）PLC技术的概述

1.PLC技术的内涵

可编程逻辑控制器（PLC）不仅是一种特殊的微处理器，更是为工业控制应用量身定做的核心组件。它基于一种高度专业化的数字式操作系统，具备存储和执行一系列指令集的能力。这些指令集涵盖了从简单的逻辑操作到复杂的算术运算、数据处理和通讯功能。PLC的出现意味着对传统的继电器控制方式的革命性突破，其根本目的在于满足现代工业生产中对于更强大、灵活和稳定的自动化控制需求。

2.PLC技术特点

PLC技术的多个显著特点使其在工业控制领域独树一帜。首先，其结构设计紧凑而高效，用户界面友好，使得工程师可以方便快捷地进行编程和维护工作。再者，PLC内置的实时故障检测和诊断系统不仅能够及时发现系统异常，而且能迅速定位故障点，大大增强了整体系统的稳定性和可靠性。此外，其对多种现代通讯协议的支持使得PLC可以无缝地与其他工业设备和系统集成，为整体工程解决方案提供了极大的灵活性。此外，PLC的模块化设计理念确保了其在应对复杂工业任务时的扩展性，用户可以根据实际生产需求灵活选择和添加功能模块。而PLC的强大的环境适应能力，使其能够在各种温度、湿度、电磁干扰等恶劣工业环境下保持稳定运行，确保生产线的连续性和安全性。

（二）变频器的概述

1.变频器的工作原理

变频器是现代工业中不可或缺的设备，它为实现电动机速度和扭矩的精确控制提供了基础。变频器的基本工作原理是调整供电给电动机的电压和频率。其核心功能在于，它能够将固定频率的电源（如工厂中常见的50Hz或60Hz）转换为一个可变的频率，从而实现对电动机转速的实时调整。这种转速调节方式不仅能够提供更为柔和的启动、加速和制动，从而保护机械设备，而且可以在不同的运行条件下实现最佳的能效比，为企业节约大量能源开销。

2.变频器结构组成

变频器的设计体现了复杂的电力电子技术。它的关键组件如下：首先，输入滤波器扮演着关键的角色，能够消除来自电网的高频噪声和电流浪涌，为整个系统提供稳定、无干扰的电源。接下来，整流器模块将这个稳定的交流电源转换为直流电，为后续模块提供工作电源。中间直流环节，通常采用大容量的电容器来存储和稳定这个直流电。而逆变器模块则是变频器的心脏，它负责将稳定的直流电转换为可调频率和幅值的交流电，以满足不同应用的需求。最后，输出滤波器对逆变器输出的交流电进行最后的平滑处理，确保电机获得的电源信号高质量、低噪声。这一系列精心设计的模块组合确保了变频器能够高效、稳定且可靠地工作[1]。

二、基于PLC技术的中央厨房排烟风机变频器节能控制系统设计方案

（一）变频控制需求分析

中央厨房的排风机都是按照烹饪设备最大排风量设计，以满足烹饪设备全部运行工况下的排风需求。实际生产阶段，并不是每台设备都处于使用状态。现有系统不能根据实际需求及时地调整排风机功率，这就造成了极大的资源浪费。因此，变频控制成为中央厨房排风系统节能的关键。变频技术可以实现排风系统的精确控制，使其运行在最佳工作点上，从而达到节能效果。基于PLC技术的变频控制系统，不仅具备高可靠性、灵活性和实时性，还能与其他自动控制系统无缝对接，满足现代建筑的智能化和节能化需求。

（二）变频节能控制流程

中央厨房排风变频节能控制流程为了适应实际的运行变化并达到节能目的，依赖于一个三步流程。首先，在烹饪设备上方排烟口区域安装传感器，对下方设备的使用状态，如温度、风压等进行监测，将关键参数信号传至PLC控制器。

接下来，PLC根据收到传感器群的数据，执行数据处理和分析，系统运行预置的数十种智能算法，计算排风机的合理工作频率。

第三步，PLC控制器依据分析结果做出相应决策，例如调整排风管道的风口开合数量及角度，以及通过变频器实时调整风机运行速度，实现实际需要的排风量运行。基于传感器、数据通讯，控制器会进行反馈与实时调整，确保排风系统始终在其最佳工作状态下运行，从而有效实现节能效果[2]。

三、中央厨房排风变频器节能控制系统硬件配置

（一）PLC主控模块

PLC主控模块扮演着中央处理器的角色，是整个自动化系统中最为关键的部分。其基础职责是持续地接收输入信号，经过内部逻辑处理后，发出相应的输出信号去驱动下游设备或其他相关系统。在大型中央控制系统中，这一流程需要极高的实时性和准确性，因为任何微小的延迟或误差都可能对整体系统的运行效率和稳定性造成影响。

选择合适的PLC主控模块至关重要。以西门子的S7系列为例，其S7-1200型号不仅提供了高速处理能力，而且兼具了稳定性和灵活性。其CPU处理能力强大，可以轻松应对各种复杂的控制逻辑和算法，S7-1200的实时以太网通信功能，确保了在多设备协同工作时的数据同步和通信流畅性。此外，考虑到不同的项目需求和场地限制，该系列还为用户提供了各种扩展模块，使得系统在未来发展过程中能够根据需要进行规模扩充或功能增强，极大地提高了系统的长期使用价值和适应性。

（二）变频器模块

在今天的中央厨房排风系统中，变频器模块已经成为一个不可或缺的关键技术组成部分。通过对电机的工作频率进行细致调整，变频器可以确保电机在从低至高的各种负荷状态下都能保持最佳的运行效率。这种对电机速度的精确控制技术，使中央厨房排风系统不仅能有效地降低能源消耗，提高经济效益，同时也能显著地减少设备的机械磨损，延长其寿命，并为使用者提供持续且稳定的室内舒适环境。

ABB公司的ACS510的高效运行并非其唯一的卖点。其内置的自适应控制技术，结合先进的算法，使它能够实时感知系统的变化，从而实时调整电机的运行速度。这种自适应技术确保了电机无论在哪种负荷情况下都能保持其最佳状态。为了进一步确保变频器的稳定性和电机的安全运行，ABB在ACS510中整合了先进的多重保护机制。从过热、过电流到过电压，每一个可能的风险点都被严格地监控。这些保护功能不仅增强了设备的可靠性，更是提供了一个额外的安全网，使得运维人员在进行日常监控和维护时，能够有更多的信心和保障。

（三）触摸屏人机交互模块

在当代自动化系统中，触摸屏人机交互模块已经成为几乎不可或缺的组成部分。这种模块不仅仅是为了展示系统的运行信息，更重要的是为操作人员提供一个直观、易于理解和操作的界面。Weinview触控的MT8000系列触摸屏是其中的佼佼者。其高达16.7M的真彩色显示能够确保图形和文本的清晰度，让复杂的数据和图表变得生动和容易解读。

MT8000系列所支持的多种通讯协议赋予了它强大的兼容性和扩展性。无论是Modbus、Profinet还是EtherCAT，都使得这款触摸屏能够轻松地与各种PLC和其他控制模块集成，形成一个高效、稳定的控制网络。不仅如此，它的低延迟特性，特别是10ms的快速反应时间，确保了任何用户输入或系统变化都能够被迅速地反映在屏幕上，为操作人员提供了准确、实时的反馈，确保中央厨房排风系统的稳定和高效运行。

（四）温度传感器

位于整个系统前端的温度传感器模块，扮演着至关重要的角色。它不仅监测温度变化，还为整个系统提供了准确的温度数据，确保系统可以在各种情况下进行适时的调整。在技术特点方面，温度传感器的物理设计和工程选择也起到了决定性的作用。

温度传感器可根据不同类型的烹饪设备特点安装不同类型传感器。针对中式烹饪设备采用Honeywell公司的接触式PT1000传感器，PT1000系列选择了不锈钢作为其制造材料，这不仅确保了其对各种化学物质和元素的耐腐蚀性，使用中央厨房加工环境，其令人难以置信的±0.1℃的测量精度，为中央厨房排风系统提供了实时且准确的温度读数，从而提高系统的总体效率和响应速度。

针对西式烹饪设备采用FULKE公司的非接触式的Raytek Compact CI 激光温度传感器，该传感器体积小巧，采用坚固的不锈钢机身，密封等级达到 IP65 (NEMA-4)。响应速度高达350mSec，光学分辨率达到4：1。具有测量距离远，温度测量精度高的特点。在数据通讯方面，其4-20mA的标准输出是传感器与PLC间沟通的桥梁。

（五）前端处理单元

位于设备上方的前端处理单元采用RLT 公司的HTVC-H9 模块，模块采用ARM芯片，配套预设的专用算法软件，对PT1000、Compact CI 激光温度传感器进行数据处理，监控烹饪设备使用情况，实时控制排风管道的阀门开合。由由于中央厨房设备体量较大，HTVC-H9模块采用通讯组网方式联接，不仅确保了数据的准确性，还大大简化了系统的集成和维护过程，确保了设备之间的顺畅沟通，提高了整个中央厨房排风系统的效率和稳定性。

四、中央厨房排风变频节能控制系统程序设计

（一）PLC 主控程序设计

在中央厨房的排风变频节能控制系统中，为了更加精细、有效地管理能耗，PLC的变频节能控制程序被设计为结构化和模块化的。这样的设计旨在确保程序的灵活性和可维护性，同时也便于系统的扩展和升级。核心的PLC主控程序依赖于S7-1200，这种PLC因其高效的PID控制特性而被广大工程师所推崇。其算法允许系统根据输入的数据（例如，环境温度、风机性能曲线等）实时计算出最优的能耗功率。这不仅可以最大化地节约能源，而且还可以确保排风系统始终在最佳状态下运行。

（二） 触摸屏操作程序设计

在现代自动化控制系统中，用户界面的重要性日益增加，特别是为操作员提供的交互界面，它需要简单、直观且功能齐全。选择Weinview的EasyBuilder Pro 组态软件为这一目标提供了坚实的技术基础。这款软件支持多种编程语言、数据结构和算法，从而为复杂的控制逻辑、数据收集和分析提供了可能性。加上其丰富的图形库和多媒体支持，我们可以设计出直观、生动的交互界面。

在设计过程中，考虑到操作员可能面对的各种任务和挑战，如突发的设备故障、系统调优或日常维护等，因此为温度传感器及前端处理单元和风机运行状态分别设计了操作和监控界面。操作界面不仅具有传统的启停和调速功能，还集成了先进的故障诊断和预防维护功能。例如，当系统检测到温度传感器和前端处理单元的某一部分可能存在隐患时，它会在触摸屏上以醒目的方式提示操作员，并提供相应的维护建议。此外，监控界面将关键数据进行了有效的可视化处理，如通过颜色、形状和动画等方式，使得操作员可以在第一时间了解系统的运行状况。让操作员可以直观地感受到各种参数的变化和系统的整体状况。这样，触摸屏不仅成为了操作员与系统之间的桥梁，还在某种程度上成为了他们的助手和顾问，帮助他们更加高效、安全地完成任务[3]。

五、结语

总而言之，变频器在电气系统中的作用不容忽视，而其潜在的高能耗问题对资源和效率都构成了挑战。PLC技术为这一问题提供了一种独特而高效的解决方法，尤其在中央厨房排风系统中，基于PLC的节能策略有望为实现更为绿色和经济的运行提供有力支撑。期望未来的应用与研究能进一步完善这些策略，使得电气系统的能效和可靠性都得到进一步提升。

本文来源：《产品可靠性报告》https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html