电气工程论文
一般在普通工厂中存在大量的用电设备，其中普通机械设备中的动力源-三相交流异步电动机成工段集中分布；各种风机和气泵一般也由三相交流异步电动机提供动力，它们数量少且不集中分布，用于气动卡具的气泵属于间歇工作方式；现在水泵集中由水泵房的恒压供水变频控制设备供电运转，基本上处于经济运行状态；再就是功率相对较小的照明设备。
三相交流异步电动机在社会生产生活中所占负荷比例达到60%,其轻载或空载时功率因数在 0.5 以下，而供电部门要求的用电用户功率因数不能低于 0.9.
目前提高功率因数的方法主要有以下几类：
（1）从所采用的控制器角度：a.只用 PLC 的 PID 控制功能适时驱动晶闸管导通角来改变电动机的输入电压，构成闭环功率因数控制系统。功率因数角采用电压信号和电流信号的过零检测得到，这种方式对所用 PLC 的扫描频率有一定要求，且这与用变频器实现节能类似。不如直接采用变频节能。b.用单片机做控制器的功率因数控制装置。工厂的恶劣环境将制约其推广使用。c.无功补偿控制器直接控制电容器组的投切。其性能单一，性价比和扩展性不及 PLC.
（2）从补偿范围和补偿器件角度。有集中补偿和个别补偿，集中补偿要么在变压器母线上补偿，要么在车间配电盘母线上采用移相电容器进行补偿。个别补偿的优点是补偿范围最大，补偿效果最好，但补偿设备一次性投资大，个别补偿适合容量小但数量多且是长期稳定运行的设备；或负荷平稳，经常运转的大容量电动机。
（3）从补偿元件角度。主要采用并联电容进行补偿，它可与电感产生的无功功率相抵消，如果采用并联电阻进行补偿虽然能提高功率因数但电阻上会消耗有功功率。
不管采取哪种补偿方式进行无功补偿都要使用控制器，控制器完成无功功率检测并进行投切电容器组的选择与切换控制。
随着时代的发展，网络控制的普及和完善，选择的控制器既要能满足集中分布负载的无功补偿，又要对相对分散的气泵设备进行单独补偿，还要能根据上下班时间进行照明设备的节能管理。并且通过网络与车间或工厂的监控管理层相连，为统计数据和实时监控提供方便。因此选择 S7-300PLC 作为主控制器。
S7-300PLC（下面简写为 S7-300）是模块化中小型 PLC 系统，使用户可以根据实际选择其系列中合适的模块。其 I/O 点数多余 S7-200PLC,因此对于一般车间的节能管理使用一台 S7-300 就可完成控制要求。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC 进行扩展。S7-300 适用于通用领域，具有高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。人机界面软件WINCC 安装在主控室的 PC 机上，它从 S7-300 中获得数据，可实现远程操作，监控和报警等功能。
利用其高速处理速度和良好的可扩展性同时进行无功补偿和工厂的节能管理，如利用其模拟量输入和通讯接口实现无功补偿，利用其数字量输入端配合其内部定时器或计数器实现对风机和泵类的高效管理，当然也可用数字量输入端和外加无功补偿装置进行无功补偿，而利用其模拟量输入和通讯接口实现对风机和泵类的高效管理。
对于无功功率的控制还要进行功率因数的检测，可以采取分别测有功和无功来计算功率因数，或者直接测量功率因数等方法，为提高补偿效果最好对三相电路中的每一相都进行检测并补偿。为减少接线和方便使用选用 PMAC600B-Z-AC 型三相智能综合仪表。三相智能综合仪表有多种型号选择，选择其中 PMAC600B-Z-AC 仪表，主要因为它是全参数测量仪表，它有两路 4-20mA 模拟量输出和一路采用 Modbus-RTU 协议通讯的 RS485 接口。利用其通讯方式进行功率因数的采集控制为此必须选取能和 PMAC600B-Z-AC 仪表采用相同通讯协议和接口类型的 PLC 型号。如果手头没有适合与此仪表通讯的 PLC 可用，也可利用仪表的模拟信号输出端采集相角、功率因数或有功与无功的值作为判别功率因数的依据，这时的 PLC 选择就很容易。
通过阅读 PMAC600B-Z-AC 智能仪表的使用说明书，为正确建立 PLC 和智能仪表间的通讯使用 PMAC600B-Z-AC 智能仪表时应注意：根据负荷最大值选择 CT 变比，PT=1;输入密码正确才能进行编程。用通讯方式读取和写入智能仪表的一次请求寄存器数目不能超过 40 个；这里要在相应寄存器（40201-40207）中写入通讯地址、波特率、PT 和 CT 变比，接线方式和模拟量通道输出参数代码等。
同样对西门子 S7-300 以通讯方式工作时应首先解决通讯协议问题，S7-300 有多种通讯处理器用来连接现场不同执行器和传感器的 AS-i 接口、PROFIBUS 和工业以太网总线。可见以 S7-300 为控制器对从低层网络到顶层网络的组网是必不可少的，而市面上的无功补偿控制器或智能仪表虽然物理接口是 RS485,但协议却与 S7-300系列不同，如果要和智能仪表通讯必须使用 MODBUS RTU 协议，可购买 CP341 通信处理器与 modbus 主站驱动软件（硬狗）来实现。
在建立好物理连接后，下面就可以 S7-300 为主控制器对PMAC600B-Z-AC 智能仪表进行通讯设置。即分别设置网络协议、选择通讯速率，为设备分配地址，关键要分配好设备间数据的接收和发送区。如在 PLC 的 M 区中通过交叉参考表分配出实数型地址空间，分别存储智能仪表在相应寄存器（40012-40017）中读出各相的有功和无功功率值，这种方式适合有单相负载的场合，对于三相交流异步电动机这种对称三相负载还可以只读出（40007-40010）中的总有功功率和总无功功率之和。显然这样取数可节省 S7-300 的内部资源。
通过以上过程只是完成了通讯方面的相关设定，下面要进行编程以对数据进行运算判断，因为采用的是电容器组进行有极补偿，所以对得到的功率因数只进行区间判断，当在某个区间且保持一段时间时可投入相应组的电容器，可见这里要用到通讯指令、运算指令、比较指令、定时指令、位逻辑输出指令。
上面完成了对集中分布的三相交流异步电动机的功率补偿，气泵一般满负荷工作，可以用气罐压力传感器进行启停工作，S7-300 可以接进一个输入点位信号来检测其运行时间或启动频率来判断其工作状况。如不正常可通过组态监控来报警，或者利用一个输出点位停止该气泵运行。
一般风扇用单相电且长时间稳定运行，只要选择合适容量就能达到节能效果，如果需要按需变速运行，可用 S7-300 的一个点位输出的时间或 S7-300PLC 的模拟量输出功能来切换相应的风扇控制器的输出，以改变风扇电机的输入电压来调节风扇速度。这里要进行S7-300 的简单编程以便按需要给出变速信号。
对于照明设备的管理只需要利用 S7-300 的输出点来控制就行，可以由车间监控层发信给 S7-300,PLC 对照明控制柜中事先做好的照明组别进行控制，也可由 S7-300 按上下班时间等进行定时切换。
上面仅是利用 S7-300 进行无功补偿和节能功效管理的一些应用，对具体订货号的 PLC 和具体型号的仪表与设计制作的控制器要根据实际情况来合理选择相关参数以达到高效利用之目的。
参考文献
[1]廖常初。S7-300/400PLC 应用教程[M].1 版。北京：机械工业出版社，2011.
[2]梁岩。S7-300/400PLC 实践教程[M].第 1 版。东北大学出版社，2014.
[3]西门子 S7-300/400PLC 实践与应用[M].第 1 版械工业出版社，2013.
[4]PWG-2 大容量动态无功补偿控制器使用说明书[Z].深圳市旭振电气技术有限公司，2006.
[5]PMAC-600B/BH 三相智能电力仪表说明书[Z].珠海派诺科技股份有限公司。