PLC 變頻調速技術在機電設備中的運用研究

楊 潔 趙海龍

（1.呼倫貝爾職業技術學院，呼倫貝爾 021000；2.內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，呼倫貝爾 021000）

現代社會各行各業的生產都離不開機電設備。隨著工業4.0 時代工業改革浪潮的興起，機電設備的智能化改造成為各企業提升其生產制造水平的重要路徑。變頻調速技術的應用，證實了變頻調速在機械傳動體系中的功能和價值。在變頻調速的無級調速、消除機械沖力、保護機電設備功能、減少維護成本、提升節電效果以及提升性能等優勢基礎上，進一步聯合了PLC 編程技術，形成了基于PLC 可編制控制程序控制的變頻調速技術，極大地提升了機電設備中的智能化應用水平。

1 PLC 變頻調速技術

PLC 變頻調速技術由兩部分構成，一部分是PLC 可編程控制器，另一部分是變頻器。PLC 變頻調速技術的應用不是一種直接的單純技術的應用，而是一種應用方案。針對不同的機電設備，應用PLC 變頻調速技術時需要以實際的機電設備為應用對象，設置PLC 變頻調速技術應用程序，安裝變頻器，確保PLC 變頻調速技術的匹配性[1]。

2 PLC 變頻調速技術的優勢

根據近年來PLC 變頻調速技術在機電設備中的運用可知，它在機電設備層面具有較大的比較優勢，包括智能控制優勢、節能優勢以及簡化機構優勢等。例如，PLC 變頻調速技術在風機設備方面具有一定的節能優勢；在供水設備方面，它具有智能控制優勢；在綿紡類設備中，它具有變頻調速的綜合優勢，包括無級調速、節能、智能控制、降低成本以及提高性能等。PLC 變頻調速技術通過PLC 克服了傳統機電控制方面的非穩定性，提高了可靠性，增強了抗干擾能力，并且在數據化PID 調節的情況下，使多路調節更加便利。尤其是PLC 變頻調速技術與機電設備信息管理系統的通信聯動，將原來的物質生產效率單一目標轉換到了綜合效益方面，有利于提升機電設備企業各方面的生產率[2]。

3 PLC 變頻調速在機電設備中的運用分析

機電設備若處于低負荷運行工況下，會使電機產生“大馬拉小馬”的現象，嚴重降低了機電設備的工作效率。同時，機電設備在使用過程中，本身存在機械故障、電氣故障以及運行故障等風險。尤其是當整個機電設備系統穩定性相對較差的條件下，它的維修成本和管理成本等均會上升。這既不利于發揮機電設備的性能優勢，也很難通過提升機電設備應用效率來擴大企業生產。因此，有必要在機電設備中運用PLC 變頻調速技術來解決此類問題。

3.1 變頻器結構分析和類型選擇

在應用PLC 變頻調速技術之前，需要做好變頻器結構分析和類型選擇工作。具體而言，變頻器包括交-直變頻器和交-交變頻器兩種類型。應用交-直變頻器可以借助整流器和逆變器等配套性組件，將工頻交流電轉化為可控交流電。與交-直變頻器類型相比，交-交變頻器類型可以直接由工頻交流電變成可控交流電。例如，礦井中經常應用的通風系統與風機設備，可以根據其設備類型選用較為合適的變頻器類型。假定選擇MM430 型變頻器（德國西門子公司生產），則可為PLC 變頻調速技術方案的設計提供過壓、過熱、過載以及防失速等比較優勢[3]。當前該變頻器能夠進行二進制編程，簡單易操作，可以通過布拉爾關系式直接實現機電設備的數字、通信數字編程。輸入與輸出編程后，它能夠發揮機電設備的性能優勢。

3.2 PLC 配置及其應用分析

PLC 變頻調速技術在機電設備中的運用中，不僅要完成變頻器的選擇，還需要通過選擇與應用目標相匹配的PLC 進行具體應用。PLC 是一種可編程控制器，包括輸入電源、I/O 接口、存儲器以及中央處理器（Central Processing Unit，CPU）等元件。中央處理器作為PLC 的核心構成，其中又包括運算器、控制器以及其他元件，旨在通過此類元件的連接實現數據的接收、存儲、控制以及各類故障的診斷處理[4]。I/O 接口的作用在于接收和發送數據，屬于接口組件。存儲器能夠存儲所有的狀態信息。從應用方面分析，PLC 的應用需要先經過試驗驗證，再選用合適的可編程控制器。例如，根據試驗分析結果，選擇S7-200系列PLC 用于礦井通風機電設備，并根據它的性能與優勢，與上述MM430 變頻器進行匹配。該系統的PLC 成本低、可靠性強、結構緊湊以及通信功能好，且采用的CPU226中央處理器組件與同類型的CPU224 相比，存儲能力和運算速度等性能提升了近30%，同時具有在線連接編程或遠程編程功能。從PLC 變頻調速技術的功能實現方面分析，通信監視變頻器方式、邏輯組合方式以及模擬量控制方式均可以使用。以風機設備為例，若采用MM430 變頻器和S7-200 系列PLC，那么根據其實際需求和控制要求，應選擇通信距離較短的模擬量控制方式。

3.3 PLC 變頻調速系統設計分析

從原理方面看，PLC 變頻調速系統是一個自動閉環控制系統，因此只需先將各類器件進行聯結，再通過運行程序即可自動工作。例如，當機電設備負荷較低時，可以關閉高負荷時的開關，將機電設備的電機運行速度調節到與負荷相一致的轉速，使機電設備電機與實際的動力之間達到均衡，進而化解“大馬拉小馬”的問題。系統設計主要以PLC 控制程序為中心，通過將它與設備中的變速器進行通信關聯，實現變頻調速控制。

風機設備與通風系統的主要作用是調節工作環境中的瓦斯量。實際的系統設計時，需要先分析礦井的實際情況，再應用PLC 變頻調速技術，使其通風機的調速滿足其實際需求。根據《煤礦安全規程》要求，瓦斯濃度在1.5%以上（設備離開關控制位置20m 范圍內）時需要切斷電源。因此，根據復雜條件下的需求，選擇模糊控制法，先劃分出瓦斯所在區域，再根據不同的區域，用變頻器進行供電電源頻率模擬和電壓值模擬。模擬情況達到要求后，再根據實際情況設置通風機的調速參數。根據試驗結果，當瓦斯濃度在0%～0.5%時，供電電源頻率為30Hz，變頻器輸入電壓為6.0V；當瓦斯濃度在0.5%～0.8%時，對應數據為34Hz、6.8V；當瓦斯濃度達到0.8%時，對應數據為40Hz、8V；當瓦斯濃度在1.0%～1.3%時，對應數據為46Hz、9.2V；當瓦斯濃度在1.3%～1.5%時，對應數據為50Hz、10V。

因此，PLC 變頻調速技術應用于機電設備時，需要將實際的機電設備與生產環境關聯起來，確保機電設備的工況與生產環境相一致，從而使其與其應用的PLC 變頻調速技術相一致，進而發揮該技術在生產層面的優勢[5]。例如，在上述礦井風機應用實例中，通過全要素分析與具體的生產工況環境實際試驗，實現了PLC 變頻調速系統設計的合理性與有效性，進而產生了較好的控制效果。另外，在各類機電設備中應用PLC 變頻控制技術，需要綜合分析其實際的應用場景、應用對象、應用目標、應用條件、應用試驗以及應用效果等，以更好地發揮該技術的優勢。

4 結語

PLC 變頻調速技術在機電設備中的運用能夠實現機電設備的自動化控制，通過優化機電設備性能提升系統的控制水平與應用效率。PLC 變頻調速技術不僅能夠滿足機電設備改造升級需求，還可以與機電設備本身的信息化管理等資源融合，提高機電設備整體的智能化水平，將機電設備的持續性研發設計、故障處理、工況監測、數據統計分析以及風險預警等各項目標統一到機電設備的中心管理系統，提高機電設備的生產效率。因此，當前段應不斷增強PLC 變頻調速技術在機電設備應用中的數據庫建設。