基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制研究

魏國(guó)蓮 林成全

摘? 要： 研究基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制，由電源、編程器、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元和外部設(shè)備組成的PLC接收變頻器發(fā)出指令后分析指令，并利用編程后指令控制變頻器?；谧冾l調(diào)速基本原理，具體分析變頻器在工頻范圍調(diào)節(jié)大于電源頻率、工頻范圍調(diào)節(jié)小于電源頻率、轉(zhuǎn)差頻率控制三種情況下變頻調(diào)速控制方程，利用控制方程實(shí)現(xiàn)基于PLC技術(shù)的變頻器不同工作狀態(tài)時(shí)的自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用于某電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變頻自動(dòng)控制，采用該方法控制的修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)在10天變頻工作狀態(tài)下平均能耗與平均用電量?jī)H為181 J以及1 181 kW·h。

關(guān)鍵詞： 變頻自動(dòng)控制; PLC技術(shù); 變頻器控制; 指令編程; 調(diào)速控制; 電動(dòng)修井機(jī)

中圖分類號(hào)： TN876?34; TM921.51? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0092?04

Abstract： The frequency converter automatic control based on PLC technology is researched in this paper. The PLC composed of the power supply， programmer， CPU （central processing unit）， memory， input/output unit and external equipment， receives the instructions sent out by frequency converter， and then analyzes them. The programmed instruction is used to control the frequency converter. The governing equation of variable frequency speed regulation is analyzed according to the basic principles of variable frequency control speed when the frequency converter is used to adjust the supply frequency being larger than the power frequency in power frequency range， the supply frequency being smaller than the power frequency in power frequency range and the slip frequency control. The governing equation is used to realize the frequency converter automatic control （in different working states） based on PLC technology. The experimental results show that the frequency conversion automatic control of the system can be effectively achieved when the proposed method is used in the constant power automatic control system for a certain electric workover rig. The average energy consumption and average electricity consumption of the constant power automatic control system of the workover rig controlled with this method are only 181 J and 1 181 kW·h under the 10?day frequency conversion working condition.

Keywords： variable frequency automatic control; PLC technology; frequency converter control; instruction programming; speed regulation control; electric workover rig

0? 引? 言

PLC自動(dòng)控制技術(shù)又名可編程邏輯控制器，PLC技術(shù)可將程序語(yǔ)言利用編程轉(zhuǎn)化為工作指令，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種指令高效運(yùn)作，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、不容易被外界干擾、體積小的優(yōu)勢(shì)，可有效降低人工使用率，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，使工業(yè)生產(chǎn)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加快工業(yè)生產(chǎn)效率且保證工業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)性[1?2]。

變頻器是指將固定頻率的工頻電源轉(zhuǎn)換至不同頻率交流電源的設(shè)備，通過(guò)變頻器可有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行，變頻器主要包括轉(zhuǎn)矩控制、適量控制、協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制等多種方式。變頻器利用高性能處理器實(shí)現(xiàn)電路控制[3]，通過(guò)A/D或D/A接口接收工作系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，利用相應(yīng)處理實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)操作控制、啟動(dòng)停止等信號(hào)處理[4]。

本文研究基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制原理，PLC自動(dòng)控制技術(shù)掃描周期為幾毫秒到幾十毫秒不等，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有利于變頻器靈活控制。變頻器接收PLC輸入的模擬信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至微處理器，微處理器有效處理后發(fā)送至變頻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻自動(dòng)控制。

1? 變頻器自動(dòng)控制研究

PLC接收變頻器發(fā)出指令后分析指令，并將指令編程，將編程后指令發(fā)送至變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)整體運(yùn)行和自動(dòng)控制。PLC技術(shù)全過(guò)程可利用顯示器實(shí)時(shí)顯示與處理，系統(tǒng)遇見(jiàn)故障時(shí)，可有效報(bào)警，提升工作效率[5]。

1.1? PLC技術(shù)

PLC技術(shù)利用微處理器作為處理核心，主要作用是實(shí)現(xiàn)工作系統(tǒng)數(shù)字控制[6]，通過(guò)基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)不同需要輸出頻率。PLC主要包括電源、編程器、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元和外部設(shè)備。PLC內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1） 電源。PLC技術(shù)需要穩(wěn)定的電源實(shí)現(xiàn)供電，PLC的輸入輸出模塊以及中央處理器需要直流供電電源實(shí)現(xiàn)供電，穩(wěn)定的供電電源可保證PLC正常運(yùn)行。

2） 編程器。利用編程器實(shí)現(xiàn)PLC技術(shù)系統(tǒng)程序編輯，PLC技術(shù)的編程器具有人機(jī)對(duì)話窗口[7]，調(diào)試編程器中程序?qū)崿F(xiàn)控制PLC。

3） 中央處理單元。PLC技術(shù)利用中央處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整理并下發(fā)指令至變頻器，中央處理單元是PLC技術(shù)的核心部分，通過(guò)中央處理單元實(shí)現(xiàn)控制器與運(yùn)算器信號(hào)控制和信號(hào)處理。中央處理單元是協(xié)調(diào)PLC有效運(yùn)行的重要部分，PLC性能由中央處理單元決定[8]，中央處理單元運(yùn)行速度直接決定變頻器控制效率。

4） 存儲(chǔ)器。PLC利用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括PLC接收數(shù)據(jù)、變量和內(nèi)部程序等，PLC需要存儲(chǔ)大量?jī)?nèi)容，實(shí)現(xiàn)變頻器自動(dòng)控制操作[9]，PLC的系統(tǒng)程序需存儲(chǔ)于系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。

5） 輸入輸出單元。PLC利用輸入輸出單元實(shí)現(xiàn)外部通信。PLC運(yùn)行過(guò)程中，輸入模塊接收信號(hào)后發(fā)送至中央處理單元，中央處理單元利用處理后模擬信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)變頻器自動(dòng)控制。PLC接收信號(hào)以及控制信號(hào)輸出均需要利用輸入輸出單元實(shí)現(xiàn)。

6） 外部設(shè)備。PLC需要與計(jì)算器、打印機(jī)、圖形監(jiān)控系統(tǒng)等外部設(shè)備連接[10]，利用外部接口實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與可編程控制器連接與控制。

1.2? 變頻器自動(dòng)控制

1.2.1? 變頻器調(diào)速基本原理

交流電機(jī)具有價(jià)格低、節(jié)能和體積小的優(yōu)勢(shì)，已漸漸取代直流電機(jī)應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中，交流電機(jī)調(diào)速具有節(jié)能效果明顯、控制精度高的優(yōu)勢(shì)[11]。

交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式如下：

式中：[g1]與[δ1]分別表示定子電源頻率以及相應(yīng)角頻率;[p]與[d]分別表示異步電機(jī)磁極對(duì)數(shù)以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率公式如下：

式中：[md]與[δ]分別表示異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速以及固有角頻率。

異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速公式如下：

通過(guò)以上公式可以看出，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及同步轉(zhuǎn)速在異步電機(jī)定子繞組電源頻率發(fā)生變化時(shí)隨之改變。交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速大于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[12]，電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速變化具有相關(guān)性。交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速在頻率降低時(shí)隨之降低;交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速在頻率增加時(shí)大于實(shí)際轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速利用電源頻率大小變化而改變的方法為變頻調(diào)速，變頻器的主要目的是改變電源頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

1.2.2? 變頻器調(diào)速基本控制方程

由上文可知，利用電源頻率可有效改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)際應(yīng)用中由于僅改變電源頻率，電動(dòng)機(jī)其他物理特性隨之改變[13]，影響電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性以及轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅改變電源頻率，獲取的最終轉(zhuǎn)速并不正常，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速包括以下三種狀態(tài)。

1） 工頻范圍調(diào)節(jié)大于電源頻率。交流電動(dòng)機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

式中：[W]與[RW1]分別表示繞組系數(shù)以及電機(jī)定子繞組匝數(shù)常數(shù);[Γ1]表示交流電機(jī)各級(jí)磁通。

定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與定子電壓間的關(guān)系如下：

式中：[Oe]與[Cm]分別表示異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩常數(shù);[I2]與[cos φ]分別表示轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換至定子電流的有效值以及轉(zhuǎn)子電路各相功率因數(shù);[Γ1]表示異步交流電動(dòng)機(jī)磁通。

由以上公式可知，異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩隨磁通增加而增加，隨磁通減小而減小。電動(dòng)機(jī)電源頻率與定子電壓同時(shí)增加或降低時(shí)，定子電壓與電源頻率之比保持不變[14]，電動(dòng)機(jī)磁通與電子轉(zhuǎn)矩大小并未發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)未發(fā)生改變，以上過(guò)程為恒磁通調(diào)速。

2） 工頻范圍調(diào)節(jié)小于電源頻率。交流異步電動(dòng)機(jī)工作工程中，電源電壓需時(shí)刻保持小于電動(dòng)機(jī)的額定電壓，電源頻率在定子電壓并未改變而有所增加時(shí)，定子電壓與電源頻率之比降低，電動(dòng)機(jī)磁通與電磁轉(zhuǎn)矩降低，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速由于電源頻率增加而增加。電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)功率與電磁轉(zhuǎn)矩和角速度關(guān)系如下：

通過(guò)以上過(guò)程可知，電動(dòng)機(jī)功率與角速度以及電磁轉(zhuǎn)矩成正相關(guān)性，其中角速度公式如下：

為保持交流電動(dòng)機(jī)功率不變，電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中利用轉(zhuǎn)矩與頻率改變，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，以上過(guò)程為恒功率調(diào)速。

3） 轉(zhuǎn)差頻率控制。三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率[d]在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)極小，電動(dòng)機(jī)磁通大小可通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流使其保持不變[15]，即異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增加使轉(zhuǎn)差角頻率增加。三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩利用改變轉(zhuǎn)差角頻率而調(diào)節(jié)的過(guò)程為轉(zhuǎn)差頻率控制方程。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

為檢測(cè)本文研究的基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制有效性，將其應(yīng)用于某電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的主電動(dòng)機(jī)選取三相交流多極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)PLC技術(shù)和變頻器控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，依據(jù)負(fù)載大小改變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速。實(shí)驗(yàn)所用PLC變頻控制柜實(shí)物圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)選取西門(mén)子PLC變頻控制柜，其中包含TD500C西門(mén)子顯示屏，35 kW西門(mén)子V20變頻器1臺(tái)，額定電流與額定頻率分別為35 A以及60 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 100 r/min的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、通信線纜等輔助元件若干。連接導(dǎo)線、接通電源后，利用制動(dòng)機(jī)對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)施加額定負(fù)載，對(duì)PLC下達(dá)正轉(zhuǎn)指令，使三相交流電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下啟動(dòng)。設(shè)定電動(dòng)機(jī)小轉(zhuǎn)速運(yùn)行一段時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，直至自動(dòng)加速至與負(fù)載所匹配的轉(zhuǎn)速。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交流電動(dòng)機(jī)電流與運(yùn)行頻率變化情況，自動(dòng)調(diào)速控制過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流與時(shí)間變化情況如圖3所示。自動(dòng)調(diào)速控制過(guò)程中電動(dòng)機(jī)頻率與時(shí)間變化情況如圖4所示。通過(guò)圖3與圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法自動(dòng)控制的電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的頻率與電流在短時(shí)間波動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文方法具有較好的自動(dòng)控制效果。

設(shè)置電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)載重量為30 t，采用本文方法控制系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為帶載起升、下降、停止、自動(dòng)調(diào)速，統(tǒng)計(jì)不同速度時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法自動(dòng)控制可有效選取運(yùn)行頻率。相同負(fù)載下，不同機(jī)械檔位時(shí)運(yùn)行頻率與檔位傳動(dòng)比例關(guān)系相同，且自動(dòng)調(diào)速狀態(tài)下未發(fā)生超載情況，本文方法依據(jù)負(fù)載可準(zhǔn)確確定運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，將本文方法應(yīng)用于修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可有效實(shí)現(xiàn)依據(jù)負(fù)載變換自動(dòng)控制恒定功率，并且調(diào)速平滑性較好，未出現(xiàn)明顯震蕩情況。

統(tǒng)計(jì)采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制修井機(jī)系統(tǒng)工作10天內(nèi)系統(tǒng)每天的能耗變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。通過(guò)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制方法的修井機(jī)系統(tǒng)平均能耗為181 J;原有系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的修井機(jī)系統(tǒng)平均能耗為634 J。采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制方法的修井機(jī)系統(tǒng)在變頻工作狀態(tài)下的能耗明顯小于原有系統(tǒng)自動(dòng)控制方法在工頻工作狀態(tài)下的能耗，驗(yàn)證了本文方法節(jié)約能耗的有效性。

基于PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制方法應(yīng)用于電動(dòng)修井機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)由以往僅在工頻狀態(tài)下工作的單一模式改變?yōu)樽冾l工作模式，變頻器依據(jù)系統(tǒng)所需工作模式，利用PLC技術(shù)控制電機(jī)工作于不同轉(zhuǎn)速下，調(diào)整電動(dòng)修井機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)，提升系統(tǒng)平穩(wěn)性，降低損耗，有效延長(zhǎng)系統(tǒng)各設(shè)備使用期限。

統(tǒng)計(jì)采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制修井機(jī)系統(tǒng)，工作10天內(nèi)系統(tǒng)每天的用電量變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制的修井機(jī)系統(tǒng)平均用電量為1 181 kW?h;原有系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的修井機(jī)系統(tǒng)平均用電量為1 684 kW?h。采用PLC技術(shù)的變頻器自動(dòng)控制方法的修井機(jī)系統(tǒng)變頻工作狀態(tài)下用電量明顯小于工頻工作狀態(tài)用電量，驗(yàn)證了本文方法具有良好的節(jié)能環(huán)保性能。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文將PLC技術(shù)與變頻器相結(jié)合，并應(yīng)用于電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)該方法自動(dòng)控制的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法可有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)修井機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并具有能耗低、系統(tǒng)平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)。PLC技術(shù)與變頻器相結(jié)合，可改變傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)僅能工作于工頻狀態(tài)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制技術(shù)的缺陷，促進(jìn)了變頻技術(shù)的發(fā)展。

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