變頻器中PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

曹小軍

（南平市閩北高級(jí)技工學(xué)校，福建南平354000）

0 引言

變頻器在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中的運(yùn)用廣泛，主要用于改變各類大功率耗電風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備的電源頻率，實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)及變頻運(yùn)行，保證設(shè)備的運(yùn)行可靠性及使用壽命[1-2]。PLC自動(dòng)控制技術(shù)具有可編輯、運(yùn)行可靠、功能強(qiáng)大、設(shè)備控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及無人化管理[3-4]。在結(jié)合PLC自動(dòng)控制技術(shù)、綜合各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，變頻器運(yùn)用設(shè)定的控制邏輯、保護(hù)功能，可使電動(dòng)機(jī)滿足不同工況下運(yùn)行的節(jié)能需求。當(dāng)PLC輸出不同的控制指令時(shí)，可使變頻器在不同指令下得到有效控制；變頻器的各信號(hào)通過傳感器收集、處理器分析處理實(shí)現(xiàn)反饋；當(dāng)變頻器發(fā)生故障或過流現(xiàn)象時(shí)，就地控制面板可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警[5]。

1 變頻器控制原理及特點(diǎn)

采用變頻器控制的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，主要是通過變頻器改變泵、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源頻率，來實(shí)現(xiàn)泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備性能曲線的改變。在不同的工況下，泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)速不同，可獲取不同的工質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。不同頻率下，泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)速可通過公式（1）計(jì)算[6]：

式中：n為轉(zhuǎn)速（r/min）；f為頻率（Hz）；s為電動(dòng)機(jī)滑差率（%）；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，對(duì)于固定的某型號(hào)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p和滑差率s是不變的。因此，通過改變頻率大小方可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。在實(shí)際運(yùn)用過程中，若頻率降得過低或加得過高，繞組磁通量變化大，磁回路過飽和、電極電流增大，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒壞；若泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備與電機(jī)發(fā)生共振等問題，那么在頻率調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)避開容易發(fā)生以上問題的頻率區(qū)間。

電動(dòng)機(jī)采用變頻控制技術(shù)后，采用變頻方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)（也稱軟啟動(dòng)），可以緩慢增加變頻器的頻率，逐漸提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓，避免直接啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊導(dǎo)致供電母線電壓大幅降低，進(jìn)而發(fā)生報(bào)警，甚至發(fā)生供電母線跳閘的現(xiàn)象；同時(shí)，還能避免電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)加速，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與其連接設(shè)備發(fā)生踹振的現(xiàn)象。采用變頻控制的電動(dòng)機(jī)不僅啟動(dòng)電流小，而且在同等工況下運(yùn)行時(shí)，變頻運(yùn)行模式比工頻運(yùn)行模式的電機(jī)電流小很多，節(jié)電效果顯著。

2 PLC與變頻器介紹

PLC即可編程邏輯控制器，可根據(jù)用戶要求進(jìn)行工作，包括邏輯操作、順序控制、數(shù)字操作等。PLC是一種可編程存儲(chǔ)器，它在存儲(chǔ)器內(nèi)部運(yùn)行邏輯操作等一系列指令，然后通過數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入和輸出，從而控制整個(gè)生產(chǎn)過程。變頻器主要由整流器、濾波器和逆變器組成，是一種利用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)供電頻率來控制交流電機(jī)的電力控制設(shè)備。其可以根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要提供合適的供電電壓，從而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的效果。同時(shí)，變頻器還具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。

3 PLC和變頻器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

3.1 有助于增加電氣設(shè)備產(chǎn)品的存儲(chǔ)容量

PLC有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就是系統(tǒng)軟件。用戶程序的內(nèi)存存儲(chǔ)的內(nèi)容是應(yīng)用軟件，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)存可以提供較大的存儲(chǔ)空間。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程可以根據(jù)實(shí)際需要完整地保存相關(guān)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，并為以后的故障檢測(cè)等工作提供可靠的依據(jù)。

3.2 有助于提高電氣設(shè)備產(chǎn)品的智能化水平

PLC技術(shù)和變頻器在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的主要作用是提高電氣設(shè)備的響應(yīng)速度和整體運(yùn)行效率，也有助于提高電氣設(shè)備的智能化水平。在PLC技術(shù)中，系統(tǒng)軟件可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保整個(gè)工作流程嚴(yán)格按照一定的程序進(jìn)行。同時(shí)，CPU會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估，并實(shí)時(shí)、可靠地傳輸數(shù)據(jù)。變頻器的功能是提供實(shí)際的供電電壓，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 在順序控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前大多數(shù)企業(yè)采用PLC技術(shù)作為順序控制器。PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制模式下，有3種具體的應(yīng)用：（1）對(duì)電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)督，既保證了電氣工程人員的安全，又減少了人力資源的浪費(fèi)；（2）在電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)傳感，確保電氣工程自動(dòng)化的控制水平；（3）對(duì)電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)主站級(jí)進(jìn)行就地控制。

4.2 在開關(guān)控制中的應(yīng)用

在PLC應(yīng)用的初始階段，只能合理應(yīng)用于開關(guān)值的邏輯控制中。在后期，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高，PLC技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，開關(guān)值控制的水平和應(yīng)用價(jià)值也得到了顯著提高。以PLC在斷路器控制中的應(yīng)用為例，傳統(tǒng)的斷路器采用繼電器實(shí)現(xiàn)控制，反應(yīng)速度慢，而PLC技術(shù)的應(yīng)用有效提高了斷路器的反應(yīng)速度和靈敏度。

4.3 在閉環(huán)控制中的應(yīng)用

PLC在閉環(huán)控制中應(yīng)用的主要功能是測(cè)量速度并合理控制調(diào)節(jié)器，即通過速度測(cè)量、電子調(diào)節(jié)和電液執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。具體的控制方法是在接通動(dòng)力泵后，PLC通過分析動(dòng)力泵的運(yùn)行時(shí)間，選擇最合適的主泵和備用泵。在實(shí)際運(yùn)行過程中，只需將開關(guān)檔位改為手動(dòng)檔位，即可有效提高運(yùn)行效率，進(jìn)一步體現(xiàn)了系統(tǒng)的可持續(xù)性。PLC與傳統(tǒng)控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制技術(shù)的不足，大大提高了電力系統(tǒng)的控制效率和質(zhì)量。

4.4 在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.4.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床硬件控制的核心部分，主要由數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、強(qiáng)電流控制系統(tǒng)等組成。其中，數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的中心，可以自動(dòng)處理輸入到數(shù)控機(jī)床上的所有數(shù)控加工程序，并將這些數(shù)控加工程序分為兩類控制量分別輸出：第一類是連續(xù)控制量，被送至伺服系統(tǒng)；第二類是離散開關(guān)控制值，被送至數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)電流控制系統(tǒng)。

4.4.2 電控方式的選擇

電氣控制方式的選擇直接影響數(shù)控系統(tǒng)加工的質(zhì)量和效率。因此，有必要選擇一種性價(jià)比高的電氣控制方式。根據(jù)加工對(duì)象的特點(diǎn)，合理編制程序，通過PLC控制系統(tǒng)選擇合適的控制方式。

5 PLC控制系統(tǒng)的組成及接線

采用變頻器PLC控制技術(shù)控制的電動(dòng)機(jī)控制部分通常由交流電源系統(tǒng)、監(jiān)控操作系統(tǒng)、PLC、編碼器、控制變頻器、馬達(dá)制動(dòng)器、交流電動(dòng)機(jī)等組成，如圖1所示。監(jiān)控操作系統(tǒng)可運(yùn)用PLC設(shè)定變頻器的參數(shù)并進(jìn)行監(jiān)控；編碼器通過電纜接收電動(dòng)機(jī)的反饋信號(hào)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0～5 V電信號(hào)，傳輸至PLC進(jìn)行處理；變頻器可接收到PLC傳遞的信息、指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。通常PLC、變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的連接如圖2所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)控制部分組成

圖2 電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC接線簡(jiǎn)圖

6 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的常見問題

采用變頻器PLC控制技術(shù)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中常常會(huì)出現(xiàn)變頻器過熱，變頻控制的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備振動(dòng)大，電動(dòng)機(jī)超載，變頻器加減速，過流等故障[7]。

6.1 變頻器過熱

變頻器在運(yùn)行過程中，若沒有協(xié)調(diào)好不同部分之間的運(yùn)行，容易發(fā)生過熱現(xiàn)象，過熱會(huì)導(dǎo)致變頻器內(nèi)部溫度過高，尤其在夏季，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，變頻器的散熱效果不佳，發(fā)生變頻器過熱故障。為了防止此類故障的發(fā)生，通常在變頻器室內(nèi)均會(huì)加裝空調(diào)制冷。

6.2 泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備振動(dòng)大

泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備出廠時(shí)各廠家均會(huì)給出相應(yīng)的性能曲線，在各負(fù)荷工況下，都有各自的固有頻率，采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，尤其在低頻率階段，與泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的固有頻率疊加時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)大而跳閘。因此，運(yùn)行過程中應(yīng)該避開變頻器低頻率運(yùn)行。

6.3 電動(dòng)機(jī)超載

電動(dòng)機(jī)超載是最容易發(fā)生的故障，在變頻運(yùn)行模式下，電動(dòng)機(jī)超載會(huì)導(dǎo)致V/F曲線不匹配，誘發(fā)其他故障。電動(dòng)機(jī)超載會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)燒損電動(dòng)機(jī)。

6.4 變頻器加、減速過電流

變頻器過電流故障分為加速過電流故障和減速過電流故障。加速過電流故障是泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備變頻啟動(dòng)后，在加頻率時(shí)，操作速度過快，導(dǎo)致功率受設(shè)備轉(zhuǎn)速的影響而增加，進(jìn)而發(fā)生過電流現(xiàn)象；減速過電流故障是在變頻設(shè)備停止時(shí)，減頻率速度過快，負(fù)荷慣性過高導(dǎo)致功率過大發(fā)生過流的現(xiàn)象。不管是哪種情況，變頻器過流均會(huì)導(dǎo)致變頻器發(fā)熱，降低變頻器的使用壽命，若超過變頻器額定電流，將直接導(dǎo)致變頻器跳閘。

7 結(jié)語

采用PLC控制技術(shù)的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，雖然具有設(shè)備可遠(yuǎn)程控制、啟動(dòng)電流小、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍存在變頻器過熱，變頻控制的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備振動(dòng)大，電動(dòng)機(jī)超載，變頻器加減速過流等故障，運(yùn)維人員應(yīng)做好運(yùn)維工作，避免故障的頻繁發(fā)生，影響企業(yè)安全生產(chǎn)。