变频器中PLC自动控制系统的应用研究

曹小军

（南平市闽北高级技工学校，福建南平354000）

0 引言

变频器在现代工业领域中的运用广泛，主要用于改变各类大功率耗电风机、泵等设备的电源频率，实现变频启动及变频运行，保证设备的运行可靠性及使用寿命[1-2]。PLC自动控制技术具有可编辑、运行可靠、功能强大、设备控制效果好等优点，在生产过程中可实现设备的远程控制及无人化管理[3-4]。在结合PLC自动控制技术、综合各自优点的基础上，变频器运用设定的控制逻辑、保护功能，可使电动机满足不同工况下运行的节能需求。当PLC输出不同的控制指令时，可使变频器在不同指令下得到有效控制；变频器的各信号通过传感器收集、处理器分析处理实现反馈；当变频器发生故障或过流现象时，就地控制面板可自动发出声光报警[5]。

1 变频器控制原理及特点

采用变频器控制的泵、风机等设备，主要是通过变频器改变泵、风机电动机的电源频率，来实现泵、风机等设备性能曲线的改变。在不同的工况下，泵、风机等设备的转速不同，可获取不同的工质流量，实现变频调节。不同频率下，泵、风机等设备的运行转速可通过公式（1）计算[6]：

式中：n为转速（r/min）；f为频率（Hz）；s为电动机滑差率（%）；p为电动机极对数。

由式（1）可知，转速与频率成正比，对于固定的某型号电动机，电动机极对数p和滑差率s是不变的。因此，通过改变频率大小方可实现电动机转速的改变。在实际运用过程中，若频率降得过低或加得过高，绕组磁通量变化大，磁回路过饱和、电极电流增大，则会导致电机烧坏；若泵、风机等设备与电机发生共振等问题，那么在频率调节时应避开容易发生以上问题的频率区间。

电动机采用变频控制技术后，采用变频方式启动电动机（也称软启动），可以缓慢增加变频器的频率，逐渐提高电动机的转速和电压，避免直接启动时的大电流冲击导致供电母线电压大幅降低，进而发生报警，甚至发生供电母线跳闸的现象；同时，还能避免电动机在短时间内加速，进而导致电动机与其连接设备发生踹振的现象。采用变频控制的电动机不仅启动电流小，而且在同等工况下运行时，变频运行模式比工频运行模式的电机电流小很多，节电效果显著。

2 PLC与变频器介绍

PLC即可编程逻辑控制器，可根据用户要求进行工作，包括逻辑操作、顺序控制、数字操作等。PLC是一种可编程存储器，它在存储器内部运行逻辑操作等一系列指令，然后通过数字信号和模拟信号的转换进行输入和输出，从而控制整个生产过程。变频器主要由整流器、滤波器和逆变器组成，是一种利用变频技术和微电子技术，通过调节电机供电频率来控制交流电机的电力控制设备。其可以根据电机的实际需要提供合适的供电电压，从而达到节能调速的效果。同时，变频器还具有过流保护、过压保护等多种保护功能。

3 PLC和变频器在控制系统中的应用价值

3.1 有助于增加电气设备产品的存储容量

PLC有一个独立的内存结构。存储在系统程序存储器中的内容就是系统软件。用户程序的内存存储的内容是应用软件，这种结构的内存可以提供较大的存储空间。此外，系统设计过程可以根据实际需要完整地保存相关设备的历史数据，并为以后的故障检测等工作提供可靠的依据。

3.2 有助于提高电气设备产品的智能化水平

PLC技术和变频器在电气自动化控制系统中的主要作用是提高电气设备的响应速度和整体运行效率，也有助于提高电气设备的智能化水平。在PLC技术中，系统软件可对整个系统进行控制，确保整个工作流程严格按照一定的程序进行。同时，CPU会对系统中的数据进行分析和处理，对整个系统的运行情况进行评估，并实时、可靠地传输数据。变频器的功能是提供实际的供电电压，对整个系统运行过程中各个环节的电压进行调节和控制，以保证系统的稳定运行。

4 PLC在控制系统中的应用

4.1 在顺序控制系统中的应用

目前大多数企业采用PLC技术作为顺序控制器。PLC技术在电气工程自动化控制模式下，有3种具体的应用：（1）对电气工程自动化系统进行远程控制和监督，既保证了电气工程人员的安全，又减少了人力资源的浪费；（2）在电气工程自动化系统中进行现场传感，确保电气工程自动化的控制水平；（3）对电气工程自动化系统主站级进行就地控制。

4.2 在开关控制中的应用

在PLC应用的初始阶段，只能合理应用于开关值的逻辑控制中。在后期，随着相关技术的进一步提高，PLC技术得到了更广泛的应用，开关值控制的水平和应用价值也得到了显著提高。以PLC在断路器控制中的应用为例，传统的断路器采用继电器实现控制，反应速度慢，而PLC技术的应用有效提高了断路器的反应速度和灵敏度。

4.3 在闭环控制中的应用

PLC在闭环控制中应用的主要功能是测量速度并合理控制调节器，即通过速度测量、电子调节和电液执行来实现闭环控制。具体的控制方法是在接通动力泵后，PLC通过分析动力泵的运行时间，选择最合适的主泵和备用泵。在实际运行过程中，只需将开关档位改为手动档位，即可有效提高运行效率，进一步体现了系统的可持续性。PLC与传统控制技术的结合应用，可以弥补传统控制技术的不足，大大提高了电力系统的控制效率和质量。

4.4 在数控系统中的应用

4.4.1 电气控制系统

电气控制系统是数控机床硬件控制的核心部分，主要由数控装置、伺服系统、强电流控制系统等组成。其中，数控装置是数控机床电气控制系统的中心，可以自动处理输入到数控机床上的所有数控加工程序，并将这些数控加工程序分为两类控制量分别输出：第一类是连续控制量，被送至伺服系统；第二类是离散开关控制值，被送至数控机床的强电流控制系统。

4.4.2 电控方式的选择

电气控制方式的选择直接影响数控系统加工的质量和效率。因此，有必要选择一种性价比高的电气控制方式。根据加工对象的特点，合理编制程序，通过PLC控制系统选择合适的控制方式。

5 PLC控制系统的组成及接线

采用变频器PLC控制技术控制的电动机控制部分通常由交流电源系统、监控操作系统、PLC、编码器、控制变频器、马达制动器、交流电动机等组成，如图1所示。监控操作系统可运用PLC设定变频器的参数并进行监控；编码器通过电缆接收电动机的反馈信号和数据转换为0～5 V电信号，传输至PLC进行处理；变频器可接收到PLC传递的信息、指令，实现对变频器的控制。通常PLC、变频器与电动机之间的连接如图2所示。

图1 电动机控制部分组成

图2 电动机、变频器、PLC接线简图

6 电动机运行中的常见问题

采用变频器PLC控制技术的电动机运行过程中常常会出现变频器过热，变频控制的泵、风机等设备振动大，电动机超载，变频器加减速，过流等故障[7]。

6.1 变频器过热

变频器在运行过程中，若没有协调好不同部分之间的运行，容易发生过热现象，过热会导致变频器内部温度过高，尤其在夏季，当环境温度较高时，变频器的散热效果不佳，发生变频器过热故障。为了防止此类故障的发生，通常在变频器室内均会加装空调制冷。

6.2 泵、风机等设备振动大

泵、风机等设备出厂时各厂家均会给出相应的性能曲线，在各负荷工况下，都有各自的固有频率，采用变频调节时，尤其在低频率阶段，与泵、风机等设备的固有频率叠加时，会发生剧烈振动，导致设备振动大而跳闸。因此，运行过程中应该避开变频器低频率运行。

6.3 电动机超载

电动机超载是最容易发生的故障，在变频运行模式下，电动机超载会导致V/F曲线不匹配，诱发其他故障。电动机超载会导致电动机发热，长时间运行会烧损电动机。

6.4 变频器加、减速过电流

变频器过电流故障分为加速过电流故障和减速过电流故障。加速过电流故障是泵、风机等设备变频启动后，在加频率时，操作速度过快，导致功率受设备转速的影响而增加，进而发生过电流现象；减速过电流故障是在变频设备停止时，减频率速度过快，负荷惯性过高导致功率过大发生过流的现象。不管是哪种情况，变频器过流均会导致变频器发热，降低变频器的使用寿命，若超过变频器额定电流，将直接导致变频器跳闸。

7 结语

采用PLC控制技术的泵、风机等设备，虽然具有设备可远程控制、启动电流小、节能效果显著等特点，但在实际生产过程中仍存在变频器过热，变频控制的泵、风机等设备振动大，电动机超载，变频器加减速过流等故障，运维人员应做好运维工作，避免故障的频繁发生，影响企业安全生产。