基于变频器的主要通风机控制系统

程玉龙

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

随着变频器技术的发展，大功率变频器技术逐渐成熟，同时矿山生产对能耗控制的需求越来越大，变频器在煤矿主要通风机上的应用日益广泛。在构建矿山主要通风机站监控系统时，如何设计PLC 或其它主控制器与变频器进行数据交换，达到监测监控目的，成为新的课题。通过合理架构主控制器与变频器的数据交换及控制方式，可以使系统数据传输稳定、工作可靠，进而提高生产监控的安全性[1-4]。

1 变频器常见控制方式

变频器的基本原理是将输入的三相工频交流电先整流成直流电压，然后通过逆变电路等处理，将直流电压逆变为频率、电压可控的交流电波形，进行输出，驱动电机运转[5]。

变频器一般有多种频率控制方式，大体可分为下面5 种：

1）通过控制面板上的电位器对运行频率进行调节。控制面板上带有1 个旋钮，其内部是1 个电位器，对旋转按钮的调整实质上是改变电位器输出阻值的大小，采样及控制电路即依据阻值的变化调整变频器的输出频率。

2）通过控制面板上的UP、DOWN 按钮进行频率调节。在变频器运行时，使用其控制面板上的UP 键增加输出频率，DOWN 键降低输出频率。

3）通过控制自定义开关量接口端子进行频率调节。开关量输入端子接受干触点信号，通过不同触点的闭合、断开，设置不同的输出频率。具体有2 种频率调节方式：1 种是段速调节，即预设不同的频率定值，端子上输入不同的逻辑组合，选择不同的频率定值输出；1 种是端子控制频率增减，通过端子闭合时间的长短，决定频率的增减量。

4）通过485 总线进行频率调节。在变频器运行过程中，通过RS485 总线读写对应的寄存器地址，写入频率值，变频器即输出对应的频率。

5）通过模拟量端子进行频率设定。在变频器的模拟量输入端子上输入不同的模拟量，如0～10 VDC 电压信号、0～20 mADC 电流信号、不同频率的脉冲信号等对变频器的输出频率进行设定，输入信号是保持信号[6]。

2 系统设计

2.1 现场情况

原主要通风机站变电所内设置有4 台变频器柜，分别控制主要通风机的2 台电机及备用通风机的2 台电机，变频器柜的频率调节方式是通过变频器面板上的电位器旋钮控制，控制则使用旋转开关实现主要通风机的启动、停止、反风操作。旋转开关位于右边档位是正常启动通风机；位于中间档是停止运行通风机机；位于左边档位则是反风运行通风机。此种变频器的控制方式，即为二线制工作方式。其中变频器柜面板上安装有1 个三档位的旋钮组合开关，K1 和K2 作为组合开关上的2 组不同触点，分别控制变频器控制端的FWD 端子和REV 端子。因当前控制方式无法满足自动控制的要求，因此需要对变频器的控制方式进行改造，使其适应具有无级调速功能的需求。

2.2 PLC 对变频器频率的控制

PLC 控制器可以提供常见的无源继电器触点输出、RS485 总线通讯、模拟量输出。对于面板控制的按钮，旋钮，由于没有对应接口，无法直接使用PLC控制器进行控制。只有后3 种频率调节方式可以由PLC 控制器进行控制。

在通风机运行时，影响风量的因素很多，一般有风量与转速的立方成正比关系[7-10]，基于变频器控制的主通风机系统一般是通过微调电动机运行频率来实现通风量的控制。在监测通风量的同时，微调变频器的运行频率，要求频率的变化值小，以避免造成通风量的剧烈波动。使用固定的频率段来调节通风机电动机的运行频率并不方便，无法实现无级调速，因此，并不适合频率段控制方式；使用RS485 通讯方式控制变频器的运行频率则存在1 个问题：当PLC 出现故障等情况，必须重新通过变频器的控制面板设置运行参数后，方可现场人工调整频率，而一般的变频器，正常运行时改变频率设置并不生效，必须在停机状态设置控制方式，这给生产造成一定不便，在紧急情况下，是种隐患。而且，通过RS485 总线对变频器进行读写，需要合理调度读写时序，对读写时的通讯质量状态进行判断，从而增加程序编制复杂性；而使用模拟量对变频器频率调节，同样存在一种隐患：模拟量需要一直输入，PLC 控制柜如果突然断电、异常，则将导致模拟量没有输出或者异常，给通风机运行带来不确定因素，一旦出现问题，通风机将无法正常运行。

综上，使用变频器的开关量端子控制频率增减方式，是比较好的选择：①PLC 通过无源继电器触点控制变频器，抗干扰能力强；②PLC 可以通过定时器给出精准的继电器闭合时间，调整频率的步进值一致性好；③PLC 的运行与变频器的工作关联相对弱，只有调节频率的时刻，才通过继电器的闭合时间控制频率，正常工作时，并没有输出；④端子可以引至开关柜面板按钮上，在PLC 故障或不工作期间，操作员仍可手动切换频率，并不影响正常生产，提高整个系统稳定运行的容错性，同时给检修、测试带来极大便利。

2.3 变频器工况参数监测

使用PLC 获取变频器的工况参数时，需要注意的是：变频器的工况参数较多，如进线电压、输出电压、设置频率、运行频率、输出电压、输出电流、转速、输出功率等参数，尚有过流、过压、欠压、过载等故障，而变频器的模拟量端子有限，一般只能提供运行频率等有限参数，并不能提供全面的参数，不便于掌握变频器的主要工况，因此，主控制器使用RS485总线接口，读取变频器内部寄存器，获得工况参数比较适宜。

综上所述，系统的逻辑结构如下设计：PLC 控制器与变频器之间，划分2 种数据交换通道。控制采用开关量控制，由PLC 控制器通过继电器的无源触点，操控变频器的控制端子，实现控制功能；PLC 控制器通过RS485 总线，连接变频器，根据通讯协议，读取变频器内部寄存器以取得实时工况数据。PLC与变频器控制逻辑图如图1。

2.4 设备改造

改造需要综合考虑控制方式是否可靠，所用材料是否节省，施工难度是否低。变频器控制端子改造接线原理图如图2。

图1 PLC 与变频器控制逻辑图Fig.1 Logic diagram for control the inverter

图2 变频器控制端子改造接线原理图Fig.2 Changed wiring for control the inverter

在原变频器柜体上开孔，增加4 个按钮SB1～SB4，分别作为通风机电机控制变频器的合闸、分闸、运行频率增加、运行频率减少控制按钮，其中分闸信号需要接按钮的常闭触点，其他控制接常开触点。同时保留变频器柜体上的原旋转开关K2，将其作为正/反转信号保持开关，开路作为正转控制，闭合作为反转控制。

按图纸改造变频器柜控制线路后，因为所接的控制端子发生改变，需要找到变频器设置菜单中的对应参数，进行设置，以重新定义控制端子的功能，变频器参数重新定义表见表1。

以上参数设置只涉及了本次监控改造部分，未涉及电机运行参数设置。变频器的控制方式设置为三线制2，在该模式下，正反转控制REV 端子使用保持信号，常开即为正转，常闭即为反转，使用原旋转组合开关控制。

该变频器的RS485 通讯支持2 种协议：ASCII字符串方式和标准的MODBUSRTU 方式。因为PLC开发程序中，MODBUSRTU 方式较为常见且容易实现，因此，将对应的参数位设置为MODBUSRTU 工作方式。

表1 变频器参数重新定义表Table 1 Redefining the parameters of the inverter

2.5 固件程序

因为PLC 的一个工作特点是程序可以并行方式执行。因此可以将RS485 通讯程序块、数据解析程序块、无级调速频率控制块编写为相对独立的模块，而不必考虑其具体时序关系。

针对MODBUSRTU 通讯协议，固定的参数存储在固定的寄存器内，只需发送固定格式的读取命令，读取各寄存器里面的参数，然后按寄存器分配表进行解析即可。

系统采用1 台PLC 控制柜控制1 台主要通风机的方式，因此，PLC 需要与主要通风机的1 级变频器柜和2 级变频器柜进行通讯。因为2 台变频器的通讯方式都是只读方式，通讯方式单一，宜使用分时间段定时轮询的方式。预估正常通讯时间，然后加一定余量，以此为通讯周期，顺序读取2 台变频器的参数，即可完成变频器的参数读取。读取变频器的流程图如图3。

每次在RS485 总线上进行设备的轮询，都需要考虑通讯质量问题，包括设备无应答时间、设备不回复重新发送查询命令次数、数据帧校验不通过等异常情况。在保障数据读取正确的情况下，使用尽量少的读取次数可以提高通讯效率。MODBUSRTU通讯协议支持1 次读取多个连续的寄存器，但不同厂家设备的通讯方式略有差异，读取连续地址寄存器的位数不同。现场变频器在每次RS485 通讯过程中，支持1 次读取地址3000 寄存器至3014 寄存器共计15 个寄存器。这样在PLC 程序的时序时序设计上可以1 次读取所有需要的寄存器，从而使程序简洁，减少RS485 总线上的轮询时间。

图3 读取变频器的流程图Fig.3 Flowchart for reading the inverter

变频器调节运行频率的最小步长值是0.01 Hz，表1 中设置的的频率跳动速率为1 Hz/s，则在频率改变端子X2和X3上，每次输出100 ms 的触点闭合信号，即可以将变频器当前运行的频率值增加0.1 Hz。根据现场要求，改变变频器运行频率的流程图如图4。

图4 改变变频器运行频率的流程图Fig.4 Flowchart for changing the frequency of the inverter

3 结 语

使用PLC 控制器控制基于变频器控制的主要通风机系统，需要结合现场实际，因地制宜，综合考虑软件和硬件的架构方式，设计符合实际要求的方案；对变频器无级调速的需求，使用PLC 的定时器，配合开关量端子控制变频器的频率调节，可以获得较为精确的频率输出；将变频器的控制与参数读取在数据流上进行相对独立，可以有效减少固件程序复杂性，减少故障几率，提高系统响应时间，是一种比较可靠的架构方式。