PLC技術(shù)在變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器控制系統(tǒng)，可有效改善這一狀況，優(yōu)化整體控制水平和節(jié)能效果。基于此，該文對PLC技術(shù)在變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法進(jìn)行探討，以期為電動(dòng)機(jī)組的節(jié)能降耗工作提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；變頻器；節(jié)能控制系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.060

中圖分類號(hào)：TN 77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-03

Application of PLC Technology in the Design of Frequency Converter Energy-saving Control System

ZHANG Xiwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， School of Posts and Telecommunications and Information Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： The application of PLC technology in frequency converter control system can effectively improve this situation， optimize the overall control level and energy saving effect. Based on this， this paper discusses the application method of PLC technology in the design of frequency converter energy-saving control system， so as to provide reference for the energy saving and consumption reduction of electric units.

Keywords： PLC technology; frequency converter; energy saving control system

變頻器常用于電氣系統(tǒng)的能耗單元中，可對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，從而有效控制能耗。近年來，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，電氣系統(tǒng)功能不斷完善，但其中的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、濾波等能耗單元容易出現(xiàn)過載、過壓等風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致變頻器控制系統(tǒng)能耗增加，單純變頻器節(jié)能控制已難以滿足日漸復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化需求[1]。PLC技術(shù)可采集、處理工業(yè)生產(chǎn)中的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中，能夠進(jìn)一步提高變頻器控制的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)對變頻器變頻調(diào)速的自動(dòng)化、智能化控制和管理，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

1 PLC技術(shù)與變頻器相關(guān)概述

1.1 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)是電氣自動(dòng)化控制的核心技術(shù)之一，可通過編程對工業(yè)生產(chǎn)中的各類設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠提高控制效率，降低成本。PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，主要由中央處理器、編程軟件、輸入模塊、輸出模塊等部分構(gòu)成，具有體積小、運(yùn)行可靠、靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢，安裝、使用時(shí)十分靈活便捷[2]。將PLC系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化控制時(shí)主要涉及控制邏輯程序編寫、輸入輸出處理、通信、聯(lián)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障診斷等。PLC技術(shù)具有極強(qiáng)的控制能力，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可滿足運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制等各種自動(dòng)化控制任務(wù)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境，對于提高效率、降低能耗有重要意義。

1.2 變頻器

變頻器是工業(yè)生產(chǎn)中常用控制設(shè)備，主要用于電氣系統(tǒng)的各種能耗單元中，可通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率、運(yùn)行速度、運(yùn)行模式的調(diào)節(jié)與控制。變頻器還能發(fā)揮故障診斷、過載保護(hù)作用，可對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并提前設(shè)定安全閾值，一旦參數(shù)超出安全范圍則自動(dòng)啟動(dòng)過載保護(hù)，并診斷故障情況，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。變頻器能通過通信協(xié)議或通信接口與PLC、傳感器等其他設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)控制效果，滿足更加復(fù)雜的自動(dòng)化控制需求。

2 PLC技術(shù)在變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 PLC與變頻器選型

要想獲得理想的控制性能和節(jié)能效果，合理選擇PLC與變頻器非常重要。首先，需充分考慮節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)際工作需求，明確其對PLC通信端口、編程能力、輸入輸出等方面的要求，選擇功能、參數(shù)相匹配的PLC，確保PLC能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際控制需求。其次，選型時(shí)還要考慮兼容性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性等，選擇市場上口碑好、兼容性強(qiáng)、長期運(yùn)行穩(wěn)定的品牌產(chǎn)品，確保PLC能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接與通信，并能夠滿足未來升級(jí)擴(kuò)展的需求。最后，選擇PLC和變頻器時(shí)要考慮服務(wù)與支持方面，應(yīng)盡可能選擇能夠提供技術(shù)培訓(xùn)、軟件升級(jí)、故障處理等技術(shù)支持和服務(wù)的廠商，為節(jié)能控制系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行和維護(hù)打下良好基礎(chǔ)。

2.2 PLC技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器中，能夠有效提高變頻器控制的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中，首先需要依據(jù)系統(tǒng)需求編寫控制邏輯程序，對變頻器的運(yùn)行模式、轉(zhuǎn)速、啟停進(jìn)行有效控制；其次需要通過通信協(xié)議和通信接口在二者之間建立通信連接，以便進(jìn)行信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)交換，使PLC能夠讀取并監(jiān)控變頻器運(yùn)行時(shí)的電壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，優(yōu)化其運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)的科學(xué)合理是確保變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了保證節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，同時(shí)提高節(jié)能降耗水平，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)可采用雙線制PLC技術(shù)，設(shè)置主、備兩套專用控制系統(tǒng)線路，具體配置見表1。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)應(yīng)以系統(tǒng)運(yùn)行安全為核心，應(yīng)用雙線制PLC技術(shù)能夠設(shè)置兩套系統(tǒng)不同、相互獨(dú)立但使用規(guī)格相同的控制線路，若主控制線路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到備用線路，維持變頻器控制的安全、穩(wěn)定，防止控制系統(tǒng)運(yùn)行中斷帶來的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，減少故障損失，為工業(yè)生產(chǎn)安全提供保障。此外，主令控制回路設(shè)置KA1-3指令，確保系統(tǒng)啟停安全，并與制動(dòng)手柄回路相配合，進(jìn)一步保證系統(tǒng)制動(dòng)安全。另外，設(shè)計(jì)時(shí)要重視系統(tǒng)性能的高效性，提高節(jié)能效果。PS307規(guī)格的電源輸入電壓交流額度為220 V，在50 Hz狀態(tài)下的輸出電壓直流額度為24 V，能夠?yàn)榭刂葡到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，使系統(tǒng)得以正常、穩(wěn)定運(yùn)行。CPU是確保系統(tǒng)能夠完成控制任務(wù)的重要裝置，選用313C-2DP型CPU具有緊湊性特點(diǎn)，可滿足控制任務(wù)需求，并且附帶16DI/DO接口，可進(jìn)行頻率測量，并能優(yōu)化PID控制效果[3]。313C-2DP型CPU上還存在兩個(gè)專業(yè)級(jí)DP接口，在保證控制穩(wěn)定性的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的PROFIBUS通信，可優(yōu)化系統(tǒng)通信效果，促進(jìn)系統(tǒng)整體控制性能的提升。

2.3.2 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)也要以保證運(yùn)行安全性、可靠性為核心，對主令控制回路、制動(dòng)手柄回路、故障保護(hù)等回路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其互相協(xié)調(diào)，確保系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的使用環(huán)境，降低外界其他因素的影響，維持正常運(yùn)行，具體見圖1。

控制系統(tǒng)回路主要有以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）PLC技術(shù)：應(yīng)用PLC技術(shù)對機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制單元集合，能夠提高系統(tǒng)控制精度、控制效率和自動(dòng)化水平。

（2）主令控制回路：以KA1-3指令為主令零位，通過調(diào)整主令手柄位置控制啟停狀態(tài)[4]。當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，主令手柄處于零位，需要啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需先利用廣電開關(guān)檢測信號(hào)完整性，確保信號(hào)正常后才會(huì)接通主令回路，使變頻器裝置處于開啟狀態(tài)。

（3）制動(dòng)手柄回路：制動(dòng)手柄回路通過調(diào)整手柄位置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，當(dāng)手柄處于緊閘位時(shí)，可獲得良好的制動(dòng)效果。該回路與主令控制回路互相關(guān)聯(lián)，能夠更好地保證制動(dòng)操作的安全性、協(xié)調(diào)性。

（4）安全回路：設(shè)計(jì)安全回路時(shí)，系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)當(dāng)達(dá)到一級(jí)或二級(jí)制動(dòng)。為了保證節(jié)能控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要設(shè)置故障保護(hù)機(jī)制，安裝急停按鈕，當(dāng)變頻器運(yùn)行出現(xiàn)故障問題時(shí)，可按下急停按鈕啟動(dòng)故障保護(hù)機(jī)制，迅速切斷安全回路，以防故障擴(kuò)散，對其他部件造成破壞。當(dāng)變頻器制動(dòng)功率過大時(shí)，則應(yīng)切斷安全回路、常閉點(diǎn)、超壓點(diǎn)繼電器。

2.3.3 系統(tǒng)觸摸屏

人機(jī)交互界面是變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，能夠?yàn)楣芾砣藛T的各項(xiàng)工作提供重要輔助作用。系統(tǒng)觸摸屏將控制系統(tǒng)收集、處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，幫助用戶快速、全面地掌握變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和具體參數(shù)，直觀地了解各個(gè)系統(tǒng)組件的能耗水平，并為用戶提供操作頁面，便于用戶對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和操控。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)實(shí)際需求合理選擇觸摸屏。例如，F(xiàn)940GOT-SWD-C觸摸屏的顯示效果良好，背光條件下也能清晰顯示屏幕上的信息，與主機(jī)PLC和外界其他設(shè)備的連接通信都非常高效、便捷，其自身的RS-422接口與CPU接口能夠建立穩(wěn)定連接，并且操作簡單。此外，該型號(hào)的系統(tǒng)觸摸屏還設(shè)置了FX-10P模塊，其功能十分完善，包括系統(tǒng)監(jiān)控、功能設(shè)置、刪除指令等服務(wù)，可為變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)的使用提供便利。

2.4 PLC技術(shù)在變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.4.1 應(yīng)用前提

將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中，需要具備以下幾個(gè)前提條件，才能確保控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮良好的節(jié)能效果和控制效果。

第一，需要明確PLC技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)以及電氣系統(tǒng)的實(shí)際控制需求，確保二者相符合，比如運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能、故障診斷等。若目標(biāo)與需求不明確，將直接影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與可行性，導(dǎo)致PLC的作用和優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果不理想。

第二，應(yīng)當(dāng)充分考慮到設(shè)備的兼容性。如今的電氣控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，PLC系統(tǒng)要與變頻器、傳感器、執(zhí)行器等各種設(shè)備建立連接，必須具備良好的兼容性，在選擇和使用PLC系統(tǒng)時(shí)需要確保通信協(xié)議、通信接口與其他設(shè)備相匹配，才能保證設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換高效而順暢，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，使控制指令得以有效執(zhí)行[4]。

第三，要先設(shè)計(jì)好控制策略。在越來越復(fù)雜的自動(dòng)化控制環(huán)境下，將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中需要對變頻器啟停、模式切換等控制操作進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保變頻器的運(yùn)行與其他系統(tǒng)組件相協(xié)調(diào)，并且具有良好的節(jié)能效果，提高機(jī)組整體控制水平。

第四，要全面調(diào)查電氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況和控制需求，合理設(shè)置變頻器運(yùn)行參數(shù)，并以此為依據(jù)編寫控制邏輯程序和算法，使PLC系統(tǒng)能夠自動(dòng)讀取、判斷、調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行參數(shù)，使其維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2.4.2 I/O端子和DP通信協(xié)議

I/O端子和DP通信協(xié)議是PLC對變頻器進(jìn)行自動(dòng)化、智能化控制的關(guān)鍵，系統(tǒng)中的各種信號(hào)可以通過I/O端子進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互，也可以通過DP通信模塊在變頻器和PLC系統(tǒng)之間建立連接，進(jìn)行信號(hào)傳輸。采用DP通信協(xié)議連接時(shí)，PLC系統(tǒng)直接通過通信協(xié)議對變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫入，并傳遞控制指令，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的安全、高效傳輸。采用I/O端子連接時(shí)，傳感器收集到的各種輸入信號(hào)從PLC輸入端子傳輸?shù)街醒胩幚砥髦校ㄟ^PLC程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行讀取、處理，然后將輸出信號(hào)通過輸出端子傳給變頻器，控制變頻器進(jìn)行啟停、速度調(diào)節(jié)等操作，可有效提高控制的效率和精確度。由于I/O端子數(shù)量沒有固定的計(jì)算公式，在將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)時(shí)，需要依據(jù)實(shí)際需求合理確定I/O端子數(shù)量，在考慮成本的基礎(chǔ)上留出一定的余量[5]。若存在以下情況，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加I/O端子余量：控制對象對I/O端子的要求不明確時(shí)；運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜或惡劣時(shí)；維修比較困難時(shí)；I/O端子數(shù)量無法完全統(tǒng)計(jì)時(shí)；系統(tǒng)未來有變動(dòng)可能，而PLC本身擴(kuò)展性不夠強(qiáng)時(shí)。

3 結(jié)束語

總之，將PLC技術(shù)應(yīng)用于變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)中，有助于提高控制效率、精度、安全性等，達(dá)到更好的電氣自動(dòng)化控制效果，同時(shí)還能優(yōu)化故障識(shí)別與診斷效果、節(jié)能降耗效果，更好地滿足當(dāng)前發(fā)展環(huán)境下工業(yè)生產(chǎn)對于質(zhì)量和能效的雙重要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要合理配置各個(gè)系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)控制回路，利用DP通信協(xié)議或I/O端子進(jìn)行信號(hào)交互，有效傳達(dá)各項(xiàng)控制指令，從而優(yōu)化變頻器控制效果，提高控制效率，降低能源消耗。

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