基于PLC實(shí)現(xiàn)工頻/變頻電源的切換

楊慶堂 郭敬紅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧125005）

1 引言

有些場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)常常要求可以在工頻/變頻兩種模式下運(yùn)行，以保證變頻器出現(xiàn)故障時(shí)不至于停機(jī)。傳統(tǒng)的控制電路往往采用物理繼電器-接觸器等連接而成，不僅接線復(fù)雜，而且可靠性差、故障率高、維修非常困難，現(xiàn)在已很少采用，取而代之是用PLC來(lái)控制。PLC是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、及通信技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。它用程序取代了傳統(tǒng)控制電路中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，具有如下特點(diǎn)：⑴可靠性高：適應(yīng)不同的工業(yè)環(huán)境，抗外部干擾能力強(qiáng)，無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)程序與用戶程序相對(duì)獨(dú)立，不容易發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象；⑵使用靈活：以基本單元加擴(kuò)展模塊的形式，能滿足更多的接口需要與多功能需要；⑶編程容易：編程語(yǔ)言面向電氣工程人員，采用與繼電器控制電路相似的梯形圖（或順序控制流程圖）進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)潔直觀，易于理解和掌握；⑷安裝、調(diào)試、維修方便[1,2]：只需進(jìn)行輸入/輸出接口接線，外部接線少；有自診斷和動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能，調(diào)試方便，可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序調(diào)整與修改?；谶@些優(yōu)勢(shì)，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用特別廣泛，深受電氣技術(shù)人員的歡迎。

隨著技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的降低，變頻器在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用。以安川F7系列（Varispeed F7系列）變頻器為例，該系列產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)如下：

額定電壓、功率范圍：200 V/三相（0.4 -110 kW）和400 V/三相（0.4 -300 kW）

特點(diǎn)：從典型的遞減轉(zhuǎn)矩到恒定轉(zhuǎn)矩，都能實(shí)現(xiàn)最合適的控制；同時(shí)可發(fā)揮150%/0 Hz的強(qiáng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制、零伺服等功能；低沖擊電壓、低能耗、低干擾、低噪音；適用于所有行業(yè)與世界各地的電源電壓、語(yǔ)言；是強(qiáng)大且具有充分靈活性的全能型變頻器。

PLC和變頻器都是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)控制產(chǎn)品，將它們有機(jī)地結(jié)合在一起，用PLC來(lái)控制變頻器，可以解決工業(yè)控制中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，比如電動(dòng)機(jī)的工頻/變頻電源之間的切換問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在工頻/變頻兩種模式下運(yùn)行，確保變頻器出現(xiàn)故障時(shí)不至于停機(jī)。一旦變頻器因故障跳閘時(shí)，可以自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行模式，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)[3]。

2 主電路和控制要求

（1）主電路

主電路如圖1所示，共有三個(gè)接觸器，它們各自的作用是: KM1將電源線接至變頻器的輸入端; KM2將變頻器的輸出端接至電動(dòng)機(jī); KM3將工頻電源直接接至電動(dòng)機(jī)，KM1和KM2動(dòng)作時(shí)電動(dòng)機(jī)在變頻模式下運(yùn)行，僅 KM3動(dòng)作時(shí)電動(dòng)機(jī)在工頻模式下運(yùn)行。

（2） 控制要求

工頻電源絕對(duì)不允許接到變頻器的輸出端，故接觸器KM2和KM3絕對(duì)不允許同時(shí)動(dòng)作，互相之間必須有非常可靠的互鎖；

在工頻運(yùn)行時(shí)，有必要接入熱繼電器FR，用作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)；

選擇開(kāi)關(guān)SA2用于切換PLC的工頻/變頻兩種模式，按鈕SB5用于變頻器出現(xiàn)故障后對(duì)故障信號(hào)復(fù)位；

變頻器因故障跳閘時(shí)，能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，并能控制電動(dòng)機(jī)自動(dòng)切入“工頻模式”下運(yùn)行。

圖1 主電路

3 工頻/變頻電源切換控制的PLC外部接線圖

工頻/變頻電源切換控制的 PLC外部接線圖如圖2所示[4]。

圖2 工頻/變頻電源切換控制的PLC外部接線圖

4 梯形圖及程序執(zhí)行過(guò)程分析

梯形圖是用得最多的PLC圖形編程語(yǔ)言，是取代傳統(tǒng)物理繼電器-接觸器控制的軟件部分，它與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，直觀易懂，容易掌握，尤其適合開(kāi)關(guān)量控制。圖3是用 PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)工頻/變頻電源切換的梯形圖，具體程序執(zhí)行過(guò)程分析如下：

（1）工頻運(yùn)行

圖2中的選擇開(kāi)關(guān)SA2用于選擇“工頻模式”和“變頻模式”，當(dāng)它扳到“工頻模式”的位置時(shí)，在圖3所示的梯形圖中，X4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，為電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按下“電源接通”按鈕SB1，X0的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，X7常開(kāi)觸點(diǎn)因電動(dòng)機(jī)無(wú)過(guò)載而閉合，Y2線圈得電并保持，接觸器KM3動(dòng)作，因KM2與KM3互鎖，KM3的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM2不會(huì)動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)可靠地在工頻電壓下起動(dòng)運(yùn)行。

工頻運(yùn)行時(shí)，X4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，按下“電源斷開(kāi)”按鈕SB2，X1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y2線圈失電，接觸器 KM3失電，它的常開(kāi)觸點(diǎn)恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)，切斷主電路的工頻電源，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

如果電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，那么熱繼電器FR的觸點(diǎn)X7斷開(kāi)，Y2線圈失電，接觸器KM3失電，同樣可以切斷主電路的工頻電源，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

(2) 變頻通電

將選擇開(kāi)關(guān)SA2扳到“變頻模式”的位置時(shí)，X5常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，為電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按下“電源接通”按鈕SB1，X0的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，Y0、Y1線圈得電并保持，接觸器KM1、KM2動(dòng)作，接通變頻器電源，同時(shí)將電動(dòng)機(jī)接到變頻器的輸出端，因 KM2與 KM3互鎖，KM3因常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)不會(huì)動(dòng)作。

（3）變頻運(yùn)行

按下“變頻啟動(dòng)”按鈕SB3，X2的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合， Y4線圈得電并自鎖，變頻器 S1端子被接通，使電動(dòng)機(jī)在“變頻模式”下啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)因?yàn)閅4的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合而使“電源斷開(kāi)”按鈕X1的常閉觸點(diǎn)失去作用，有效防止電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)意外失去變頻器的電源，確保電動(dòng)機(jī)在變頻模式下可靠運(yùn)行。

按下“變頻停止”按鈕SB4，X3的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y4線圈失電，變頻器的輸入端子S1被斷開(kāi)，致使電動(dòng)機(jī)減速和停機(jī)。

圖3 工頻/變頻電源切換的梯形圖

5 變頻器故障跳閘及運(yùn)行模式切換

如果變頻器出現(xiàn)故障，變頻器的MA與MC之間的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，PLC的輸入繼電器X10動(dòng)作，它的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使得Y0、Y1和Y4線圈失電，從而接觸器KM2和KM1線圈失電復(fù)位，切斷變頻器的電源。同時(shí) Y4也使變頻器 S1端子被斷開(kāi)復(fù)位，變頻器停止工作。只有線圈Y3因X5、X10常開(kāi)觸點(diǎn)閉合而得電動(dòng)作并保持，聲光報(bào)警器HA開(kāi)始工作，進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，在Y1已經(jīng)復(fù)位的情況下，時(shí)間繼電器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)延時(shí)后閉合，使輸出繼電器 Y2動(dòng)作并保持，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入“工頻模式”下運(yùn)行[5]。

6 故障處理

報(bào)警后，操作人員應(yīng)立即將 SA2扳到“工頻模式”的位置，這時(shí)，輸入繼電器X4動(dòng)作，一方面使控制系統(tǒng)正式轉(zhuǎn)入“工頻模式”運(yùn)行，另一方面，使 Y3失電復(fù)位，停止聲光報(bào)警。當(dāng)變頻器的故障處理完畢，重新通電后，應(yīng)該首先按下復(fù)位按鈕SB5，使X6動(dòng)作，從而Y5線圈得電動(dòng)作，接通變頻器的RESET輸入端S4，使變頻器的故障狀態(tài)復(fù)位。

7 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際控制中，應(yīng)用PLC和變頻器不僅能夠進(jìn)行切換控制，還能夠隨時(shí)修改PLC的程序，以適用于不同型號(hào)變頻器，完成工頻/變頻電源之間的切換。利用PLC搭建控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化管理和監(jiān)控，實(shí)踐證明這種控制方法安全可靠。

[1] 劉東漢. PLC技術(shù)及應(yīng)用. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[2] 杜從商. PLC編程應(yīng)用基礎(chǔ)（三菱）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 廖常初. S7-200PLC基礎(chǔ)教程(第2版). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4] 孫振強(qiáng). 可編程控制器原理及應(yīng)用教程（第2版）.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5] 羅振成, 張桂枝. 電氣控制與 PLC. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.