PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用研究

李愛麗

兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 鐵門關(guān) 841007

0 引言

PLC自動控制系統(tǒng)是目前工業(yè)生產(chǎn)和管理中常用的一種控制系統(tǒng)，對于提升工業(yè)設(shè)備控制和管理效率具有重要作用[1]。在電氣工程技術(shù)中，PLC自動控制系統(tǒng)的優(yōu)越性顯而易見，這一系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用，為變頻器技術(shù)的發(fā)展和功能實現(xiàn)帶來了更多可能，在促進(jìn)我國工業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[2]。

1 PLC自動控制系統(tǒng)與變頻器概述

1.1 PLC自動控制系統(tǒng)

PLC是可編程邏輯控制器，這種控制器能夠在任何時候、任何地點結(jié)合具體情況開展編程[3]。PLC替代了傳統(tǒng)的繼電器，對于設(shè)備和系統(tǒng)的邏輯控制能力更強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)制造中，PLC相當(dāng)于一臺計算機(jī)，通過使用PLC自動控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率得到大大提升[4]。PLC自動控制系統(tǒng)的編程十分簡單，相關(guān)工作人員只需要簡單培訓(xùn)就可以勝任。PLC自動控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其超強(qiáng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、功能豐富性等，其適用范圍比較廣，體積小，壽命周期長，連接方式靈活，還具有一定的抗干擾能力，在很多領(lǐng)域都有不同程度的應(yīng)用。

在PLC自動控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，PLC自動控制系統(tǒng)需要性能可靠、質(zhì)量過硬，確保信息的處理和分析過程可以實現(xiàn)完全的自動化。信息在傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)后，系統(tǒng)會對其進(jìn)行處理分析，針對發(fā)現(xiàn)的故障也能夠及時報警。例如，結(jié)合PLC本身的特點，使用PLC自動控制系統(tǒng)能夠控制電機(jī)，PLC編程能夠顯著增強(qiáng)控制效果。

在開展實時監(jiān)測工作時，PLC自動控制系統(tǒng)會發(fā)送實時信號，控制變頻器，從而有效控制相關(guān)電子設(shè)備。在這一過程中，變頻器的運行實況會及時傳送到PLC自動控制系統(tǒng)中，由變頻器工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息及指令能夠借助PLC自動控制系統(tǒng)的分析綜合傳輸?shù)綀缶b置中，報警器能夠及時響應(yīng)，相關(guān)工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)異常，做好處理工作。

1.2 變頻器

變頻器是一種工頻電源，其主要工作范圍是50～60 Hz，通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以產(chǎn)生多種頻率的交流電源，從而實現(xiàn)電動機(jī)的變速控制。一般而言，在控制電路中，變頻器會使用具有理想性能的微處理儀器。變頻器可以通過A/D和D/A接口接收信號。在具體的信號處理中，變頻器主要處理啟用或停止控制信號，也可以處理正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的操作控制信號。借助PLC自動控制系統(tǒng)，變頻器能夠及時接收信號（信號以模擬信號為主），通過對模擬信號的A/D加工，能夠?qū)⑵渥兂蓴?shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送到微處理器，完成信號加工過程。不同型號的變頻器的工作原理大致相同，可以通過矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)差頻率控制或協(xié)調(diào)控制等多種控制方式來實現(xiàn)對變頻器的整體控制。

1.3 PLC程序的設(shè)計過程

（1）做好準(zhǔn)備工作。通過基本掌握系統(tǒng)信息，形成整體認(rèn)識，掌握受控制對象的基本情況，實現(xiàn)高質(zhì)量的程序編制；通過應(yīng)用軟硬件，確保控制效果。

（2）制作程序框圖。結(jié)合控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計要求制作程序框圖，在確認(rèn)待設(shè)計程序結(jié)構(gòu)后，按照相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計程序框圖，最終根據(jù)具體的工藝要求構(gòu)建相關(guān)功能單元框架。

（3）編程。結(jié)合設(shè)計的程序結(jié)構(gòu)編程，這對整體程序設(shè)計而言是至關(guān)重要的一環(huán)，需要結(jié)合程序結(jié)構(gòu)圖逐一編寫。

（4）測試。結(jié)合編寫好的程序進(jìn)行測試，在出現(xiàn)測試問題時需要及時做好調(diào)試工作，確保程序運行的可靠性。

（5）制定程序說明書。說明書需要介紹編寫的程序，并對程序設(shè)計工作進(jìn)行適當(dāng)總結(jié)。

2 變頻器和PLC自動控制系統(tǒng)的選擇

2.1 變頻器的選擇

在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用的變頻器多種多樣。在眾多變頻器產(chǎn)品中，一般性能越好，對應(yīng)的產(chǎn)品價格也會越高。在選擇變頻器時，需要結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)特點及工藝特色進(jìn)行選擇。并不是性能越高的變頻器就越好，在工業(yè)生產(chǎn)中，不同電機(jī)承擔(dān)不同負(fù)載，需要結(jié)合電機(jī)可以承受的實際負(fù)載來選擇相關(guān)的變頻器產(chǎn)品。同時，需要結(jié)合機(jī)械操作類型選擇變頻器，要確保變頻器在具體運行中的高效性和可靠性，如果變頻器的可靠性不理想，在生產(chǎn)應(yīng)用中會帶來不利影響，導(dǎo)致相應(yīng)的成本難以控制。

2.2 PLC自動控制系統(tǒng)的選擇

在選擇PLC自動控制系統(tǒng)時，需要重點把握以下兩點：（1）確保PLC自動控制系統(tǒng)的容量、型號、通信聯(lián)網(wǎng)性能、電源模塊等和實際工業(yè)生產(chǎn)加工要求相適應(yīng)，只有確保相應(yīng)性能參數(shù)滿足變頻器需要，才能確保生產(chǎn)效率的可靠性；（2）在選擇PLC自動控制系統(tǒng)時，需要考慮電機(jī)、輸入信號、接線方式等，確保PLC自動控制系統(tǒng)與企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)要求相適應(yīng)。

3 變頻器常見故障

3.1 加減速過電流故障

在設(shè)備使用中，功率不達(dá)標(biāo)可能導(dǎo)致電流故障，使工作質(zhì)量受到影響。在變頻器加速時期，由于轉(zhuǎn)速負(fù)荷的慣性作用，速度提升過度會導(dǎo)致加速過電流故障；在變頻器急劇減速操作中，如果負(fù)載慣性過大，減速時間不夠，會導(dǎo)致減速過電流故障。

3.2 電動機(jī)過載故障

在變頻器的工作中，如果系統(tǒng)長時間在低速模式下運行，會產(chǎn)生較大的耗損或存在散熱沒有達(dá)到要求的問題，造成V/F曲線不適配，從而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障。

3.3 振動和噪聲故障

變頻器在工作中會產(chǎn)生振動和噪聲，噪聲可能是機(jī)械、電磁、通風(fēng)等因素導(dǎo)致的。要是在輸出電壓和電流中出現(xiàn)諧波分量，噪聲還會進(jìn)一步增大。在變頻電機(jī)的運行中會產(chǎn)生電磁振動和機(jī)械振動，這些振動無法難免，且會影響變頻器的正常運行。

3.4 變頻器過熱故障

在變頻器工作時會產(chǎn)生一定的熱量，導(dǎo)致變壓器的溫度在短時間內(nèi)快速升高，此時，如果外部的溫度也不夠穩(wěn)定，就會影響變頻器散熱，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部積熱增多，產(chǎn)生過熱故障。

3.5 變頻器參數(shù)設(shè)置錯誤

變頻器參數(shù)對變頻的正常運行會產(chǎn)生一定影響，如果變頻器參數(shù)設(shè)置錯誤，就會導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障，嚴(yán)重情況下，可能導(dǎo)致變頻器失效。

4 PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用意義

4.1 節(jié)約電能，減少故障

在應(yīng)用變頻器時，自動控制的實現(xiàn)主要借助I/O端子及PLC自動控制系統(tǒng)，要確保控制效果，需要做好二者的結(jié)合。變頻器設(shè)備的耗電量會因使用年限的增加而不斷提升，造成電氣企業(yè)生產(chǎn)成本增加，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升。應(yīng)用PLC自動控制系統(tǒng)，能夠降低變頻器使用中的電能損耗，對于節(jié)約電能、降低企業(yè)生產(chǎn)和運營成本具有積極作用。PLC自動控制系統(tǒng)本身也具有良好的安全性能，結(jié)合相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)定流程，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實時管控，防止出現(xiàn)控制雜亂無序的情況，確保設(shè)備運行的穩(wěn)定性，提升操作的效率和質(zhì)量。在工業(yè)化、現(xiàn)代化不斷發(fā)展的過程中，變頻器中PLC自動控制系統(tǒng)的重要性也會越來越突出。

4.2 簡化操作流程，管控開關(guān)量

工作人員需要關(guān)注磁性因素在開關(guān)量管控中的作用，通過開關(guān)量管控開關(guān)位置，確保數(shù)據(jù)的正常使用，適應(yīng)開關(guān)量管控的硬性需求。在傳統(tǒng)變頻器的運行中，設(shè)備開關(guān)量的管控方式相對復(fù)雜，故障問題難以得到控制，也無法確保設(shè)備運行和操作的安全性。應(yīng)用PLC自動控制系統(tǒng)，能夠控制變頻器的設(shè)備開關(guān)量。

變頻器設(shè)備在不同運行階段的運行狀態(tài)不同，應(yīng)用PLC自動控制系統(tǒng)能夠簡化設(shè)備操作，在系統(tǒng)某部位出現(xiàn)問題的情況下，避免對變頻器的整體使用和連接的設(shè)備產(chǎn)生影響，這對于降低系統(tǒng)和設(shè)備故障發(fā)生率具有一定幫助，有利于提升變頻器及相關(guān)設(shè)備的工作效率。

5 PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的具體應(yīng)用

簡化的操作流程能夠讓PLC自動控制系統(tǒng)適應(yīng)閉環(huán)控制。在具體的閉環(huán)控制中，逆變設(shè)備的編程控制系統(tǒng)主要采用泵式控制的集中控制模式，借助PLC自動控制系統(tǒng)，能夠融合各個泵鏈的工作標(biāo)準(zhǔn)，確保變頻器設(shè)備處于理想的運行狀態(tài)。企業(yè)在開展工業(yè)生產(chǎn)時，需要分析相關(guān)連接方式，還要研究PLC自動控制系統(tǒng)及變頻器自身的特點，充分結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實際需要合理調(diào)整變頻器的頻率，以更好地適應(yīng)生產(chǎn)的相關(guān)需要。具體的控制過程如圖1所示。

圖1 PLC以模擬量方式控制變頻器的硬件連接

要確保PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器自動化控制中的應(yīng)用效果，需要將變頻器和PLC自動控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，連接可以借助I/O端子實現(xiàn)。使用I/O端子連接的過程中，可以使用PLC自動控制系統(tǒng)的模擬量端子連接模式，實現(xiàn)對變頻器開關(guān)的精準(zhǔn)控制。如果PLC自動控制系統(tǒng)本身具備I/O端子，控制的操作會更加簡單，可以直接將變頻器輸入端和I/O端子進(jìn)行連接。此外，變頻器的預(yù)設(shè)頻率數(shù)據(jù)與端子數(shù)量之間是正相關(guān)關(guān)系，預(yù)設(shè)頻率會因為端子數(shù)量的增加而不斷增加。

6 PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用效果

將PLC自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到變頻器的案例較多，相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)研究也形成了比較豐富的成果。以PLC電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計為例，研究變頻器中PLC自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的具體情況，可以更好地掌握PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用效果。現(xiàn)階段，電子技術(shù)、控制技術(shù)等發(fā)展較快，設(shè)計變頻器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，需要做好PLC的編程工作，構(gòu)建PLC和變頻器之間的連接關(guān)系，再通過組態(tài)軟件構(gòu)建高效的人機(jī)交互界面，實現(xiàn)對變頻器電機(jī)的自動化控制目標(biāo)。

在應(yīng)用案例中，通過PLC和變頻器的有效連接，電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，在變頻器中設(shè)置對應(yīng)的輸出頻率后，將PLC自動控制系統(tǒng)和變頻器進(jìn)行連接，然后設(shè)計PLC編程來控制變頻器輸出，就可以實現(xiàn)對變頻器電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動化控制目標(biāo)。在具體操作中，相關(guān)工作人員只需要在PLC輸入界面中操作，即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),及檔位，還可以借助組態(tài)軟件實現(xiàn)電機(jī)實時監(jiān)測目標(biāo)。

7 總結(jié)

綜合來看，PLC自動控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用效果是顯著的，其重要性不言而喻。PLC自動控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的繼電器控制模式，能夠不斷強(qiáng)化變頻器的調(diào)速控制功能。PLC相當(dāng)于一種微型計算機(jī)，其操作應(yīng)用十分便利，技術(shù)難度低，操作簡單，只需要簡單培訓(xùn)，相關(guān)人員就可以掌握相應(yīng)的編程和連接方法。此外，PLC自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性和安全性也比較高，具有很強(qiáng)的控制能力，使用壽命周期也比較長，通過控制系統(tǒng)輸出信號，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)變頻器使用中的不足，顯著提升變頻器的控制效率，這對于提升工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率也有積極作用。