PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制的思考與實(shí)踐

姜子鵬 陳洪振 樊志鵬

[摘 ? ?要]目前，我國(guó)電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，電氣化設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。為了科學(xué)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備運(yùn)動(dòng)情

況，實(shí)現(xiàn)智能化控制，技術(shù)人員把PLC和變頻器運(yùn)用在電氣設(shè)備中，根據(jù)設(shè)備需求來(lái)選擇變頻器與PLC模塊型號(hào)，科學(xué)降低電氣自動(dòng)化設(shè)備成本，利用PLC軟件編寫智能化程序，真正實(shí)現(xiàn)智能化控制，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)與變頻器的通信協(xié)議，排除線路干擾與故障，保障電源正常供電，保障電氣設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行，保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)我國(guó)電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]PLC程序;變頻器;自動(dòng)化控制;技術(shù)特點(diǎn)

[中圖分類號(hào)]TM921.51 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–000–04

Thinking and Practice of PLC and Frequency Converter

Realizing Electrical Automation Control

Jiang Zi-peng，Chen Hong-zhen，F(xiàn)an Zhi-peng

[Abstract]With the implementation of the "Made in China 2025" strategy， electrical automation technology has entered a period of rapid development， and the application of electrified equipment has become more and more extensive. In order to scientifically monitor the movement of electrical equipment and realize intelligent control， technicians use PLC and inverter in electrical equipment， select inverter and PLC module models according to equipment requirements， scientifically reduce the cost of electrical automation equipment， and use PLC software to write intelligent It can realize intelligent control， realize the communication protocol between PLC system and inverter， eliminate line interference and faults， ensure normal power supply of power supply， ensure safe and stable operation of electrical equipment， ensure economic benefits of enterprises， and promote the development of electrical automation technology in China.

[Keywords]PLC program; frequency converter; automatic control; technical characteristics

PLC技術(shù)屬于1種可編程邏輯控制器，是變頻器的重要技術(shù)支持，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流調(diào)速技術(shù)，智能化調(diào)節(jié)電源頻率，打造全系的人機(jī)互動(dòng)控制模式，降低企業(yè)在人力上的投入，提升變頻器數(shù)據(jù)分析與處理能力，有效提升電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)效率，落實(shí)好節(jié)能減排目標(biāo)。技術(shù)人員要深入研究PLC技術(shù)和變頻器，積極尋找二者在技術(shù)上的共通點(diǎn)，把PLC和變頻器運(yùn)用在電氣自動(dòng)化技術(shù)中。技術(shù)人員可以根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)要求來(lái)設(shè)定PLC程序，通過(guò)指令來(lái)操控變頻器工作，提升生產(chǎn)精度;把變頻器端子和PLC系統(tǒng)連接起來(lái)，保障操控指令可以順利發(fā)出;運(yùn)用PLC控制技術(shù)對(duì)變頻器線路、電源運(yùn)行情況等進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)排查出設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的安全隱患，幫助技術(shù)人員及時(shí)排除障礙，降低企業(yè)設(shè)備維修成本，提升企業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)一步推動(dòng)電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，加快我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐。

1 PLC程序系統(tǒng)工作原理和優(yōu)勢(shì)

隨著電子控制技術(shù)發(fā)展，PLC技術(shù)逐漸在電氣企業(yè)中得到普及，憑借操作簡(jiǎn)單、編程代碼多元化和智能化控制等優(yōu)點(diǎn)，迅速得到企業(yè)青睞。PLC技術(shù)可以代替人工操作，提升設(shè)備加工精度，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化控制，降低產(chǎn)品損耗率，還可以對(duì)生產(chǎn)加工流程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，并幫助技術(shù)人員監(jiān)測(cè)主故障位置，有效縮短維修時(shí)間，盡快讓設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提升企業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)效率。

企業(yè)把PLC控制技術(shù)運(yùn)用在變頻器上，例如在流水線作業(yè)中，利用傳送單元把工件運(yùn)送到加工區(qū)域，由光電傳感器對(duì)物料進(jìn)行檢測(cè)，篩選出符合加工標(biāo)準(zhǔn)的物料。變頻器在安裝PLC系統(tǒng)后，計(jì)算機(jī)通過(guò)適配器與PLC簽訂通信協(xié)議，再利用網(wǎng)線把PLC和變頻器相接，利用PLC編程代碼來(lái)控制變頻器頻率，從而真正實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)頻率的智能化控制。PLC控制系統(tǒng)中的高速計(jì)數(shù)器，可以對(duì)變頻器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)控制傳輸帶運(yùn)行，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況控制變頻器頻率。PLC控制系統(tǒng)主要是通過(guò)主站通信觸摸屏來(lái)發(fā)出操控指令，發(fā)出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率值，再通過(guò)PPI通信協(xié)議把信號(hào)和控制指令傳輸?shù)阶冾l器各個(gè)端口。PLC控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字端口向變頻器電機(jī)傳達(dá)開啟、停止、正傳和反轉(zhuǎn)等信號(hào)，以此來(lái)控制變頻器電機(jī)運(yùn)行，保證變頻器安全運(yùn)行。

2 變頻器技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1 節(jié)能效果明顯

變頻器是電力設(shè)備必不可少的一部分，電機(jī)負(fù)載范圍各不相同，變頻器可以利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)來(lái)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速在自身負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行，科學(xué)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以防電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高造成資源浪費(fèi)。此外，變頻器可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，根據(jù)設(shè)備加工生產(chǎn)需求，合理設(shè)定變頻器負(fù)荷值，平衡系統(tǒng)能耗和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，降低系統(tǒng)能耗，從而降低設(shè)備燃油和電力消耗，凸顯變頻器節(jié)能優(yōu)勢(shì)。變頻器和PLC控制技術(shù)結(jié)合后，可以通過(guò)指令來(lái)對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制，減少了電流傳輸過(guò)程中的流式，這比傳統(tǒng)電力控制方式更加節(jié)能。

2.2 安全性比較高

變頻器自身安全性比較高，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，變頻器采用軟啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，有效避免了對(duì)電機(jī)的損害，還可以削弱對(duì)電網(wǎng)的損害，保障企業(yè)整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行。另一方面，變頻器對(duì)其他設(shè)備干擾比較小，即使1臺(tái)設(shè)備使用多個(gè)變頻器，也不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾，其他設(shè)備可以正常接受電波訊號(hào)和控制指令，降低設(shè)備故障率，企業(yè)也可以不用額外安裝濾波器，降低了企業(yè)設(shè)備檢修成本。

2.3 快速排查單元旁路故障

單元旁路故障是電氣設(shè)備最常見(jiàn)的故障之一，一旦變頻器功率出現(xiàn)故障，變頻器通信電路可以自動(dòng)向主控系統(tǒng)報(bào)警，主系統(tǒng)通過(guò)分析報(bào)警信號(hào)類型、數(shù)據(jù)參數(shù)，判斷變頻器故障類型以及發(fā)生故障的單元。變頻器確定故障單元后，會(huì)自動(dòng)切斷存在故障的單元旁路，確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，這可以幫助維修人員提升工作效率，有效提升變頻器工作效率。

2.4 加強(qiáng)設(shè)備保護(hù)

變頻器采用模塊單元化設(shè)計(jì)理念，對(duì)內(nèi)部各個(gè)零部件、控制系統(tǒng)實(shí)施模塊化管理，這種控制方式更有利于保護(hù)變頻器各類零部件，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，維修人員可以快速對(duì)重點(diǎn)位置進(jìn)行檢修，避免拆卸變頻機(jī)，延長(zhǎng)變頻器使用壽命。變頻器還可以智能化調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，把電流控制在電機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)，避免因?yàn)殡娏鬟^(guò)大損傷電氣元器件，加強(qiáng)對(duì)電氣設(shè)備保護(hù)。例如，工廠安裝PLC與變頻器的集成系統(tǒng)，一旦電機(jī)出現(xiàn)故障，維修人員可以切斷部分線路電源進(jìn)行檢修，保障工廠其他線路正常供電，減少因?yàn)橥ｋ妼?duì)設(shè)備造成的損害。

3 變頻器在PLC自動(dòng)控制技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 科學(xué)選擇變頻器與PLC模塊型號(hào)

隨著電氣設(shè)備逐步普及，變頻器在電氣設(shè)備的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，成為很多工業(yè)企業(yè)必不可少的設(shè)備，這推動(dòng)了國(guó)內(nèi)變頻器技術(shù)發(fā)展，催生了很多不同型號(hào)的變頻器。①企業(yè)要根據(jù)自身電網(wǎng)負(fù)載范圍、電路設(shè)計(jì)、設(shè)備功率等來(lái)選擇合適的變頻器和PLC模塊型號(hào)，最大限度保障整個(gè)電網(wǎng)、生產(chǎn)線的安全運(yùn)行。②技術(shù)人員要根據(jù)企業(yè)自身生產(chǎn)需求，搜集市面上不同型號(hào)、不同廠家的變頻器，在企業(yè)進(jìn)行內(nèi)部實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)各種變頻器運(yùn)行穩(wěn)定性、能源消耗量和故障維修率等指標(biāo)，重點(diǎn)檢測(cè)變頻器是否符合電機(jī)負(fù)荷率，是否可以滿足各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行所需要的電力資源，保障變頻器的穩(wěn)定性和安全性。③技術(shù)人員要根據(jù)選定的變頻器型號(hào)來(lái)選擇PLC模塊型號(hào)，圍繞變頻器指數(shù)來(lái)設(shè)定PLC控制系統(tǒng)參數(shù)。PLC系統(tǒng)采用主從控制原理，一方面利用傳動(dòng)帶連接電機(jī)軸和傳動(dòng)軸連接，采用柔性連接方式，保障電機(jī)轉(zhuǎn)矩處在安全范圍內(nèi)，控制好主傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保障電力正常輸出。另一方面可以利用齒輪鏈條來(lái)固定傳送帶和電機(jī)軸，保證主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和從驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，合理分配主從電機(jī)電流負(fù)荷，避免電機(jī)電流過(guò)大，提升變頻器和PLC控制技術(shù)。

3.2 變頻器端子與PLC系統(tǒng)相連

變頻器端子是1種常見(jiàn)的電子連接器，一般位于變頻器后蓋處，它連接了變頻器主回路和控制回路，體積比較小。變頻器一般會(huì)安裝多個(gè)端子，這些端子負(fù)責(zé)傳輸各種電波信號(hào)和導(dǎo)電，把電機(jī)電流傳送至變頻器各個(gè)單元模塊，同時(shí)把主控制系統(tǒng)指令傳達(dá)給各個(gè)支路單元，它為變頻器和PLC控制系統(tǒng)銜接提供了技術(shù)基礎(chǔ)。技術(shù)人員可以把變頻器端子直接和PLC控制模塊相連，利用萬(wàn)用表測(cè)量端子和PLC系統(tǒng)電流和電壓值，確保電流處在變頻器和PLC控制模塊負(fù)載范圍內(nèi)，發(fā)揮出變頻器節(jié)能、安全的優(yōu)勢(shì)，幫助技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備智能化控制。技術(shù)人員需要根據(jù)變頻器技術(shù)參數(shù)、設(shè)備功率和PLC系統(tǒng)負(fù)載范圍等來(lái)選擇連接方式，常見(jiàn)的連接方式為把變頻器模擬量端子和數(shù)字量端子相連，利用PLC系統(tǒng)的擴(kuò)展板塊來(lái)連接端子，一般情況下變頻器數(shù)字端口包括了

I/O兩類端子，可以滿足不容傳輸需求，可以有效提升變頻器頻率調(diào)節(jié)準(zhǔn)確率。變頻器與PLC系統(tǒng)連接關(guān)系到整個(gè)電機(jī)、電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定與安全，維修人員要定期對(duì)變頻器端子進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)加固端子，確保端子和PLC控制模塊的連接，避免出現(xiàn)短路或端子松動(dòng)等問(wèn)題，形成1個(gè)安全的閉環(huán)控制系統(tǒng)，把PLC控制系統(tǒng)指令準(zhǔn)確傳達(dá)給變頻器。

3.3 編寫智能化控制程序

PLC控制技術(shù)的核心是計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，技術(shù)人員要根據(jù)變頻器運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備電流參數(shù)和加工工藝要求等來(lái)編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)變頻器智能化控制。PLC控制系統(tǒng)主要有中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出單元和編程器等組成，技術(shù)人員利用中央處理器編寫控制程序編碼，讀取微型計(jì)算機(jī)指令，并執(zhí)行操控指令，把控制指令傳達(dá)給每1個(gè)零部件。PLC系統(tǒng)內(nèi)部通常有兩種存儲(chǔ)器，其中系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器主要用于存放和管理PLC系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，讀取變頻器內(nèi)部的ROM數(shù)據(jù)，防止PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失，為維修人員提供維修數(shù)據(jù)。變頻機(jī)和PLC控制技術(shù)融合以后，技術(shù)人員可以利用PLC系統(tǒng)的輸入與輸出單元（I/O單元）來(lái)傳輸信號(hào)，把控制指令傳遞到變頻器每1個(gè)端口，同時(shí)還可以過(guò)濾變頻器內(nèi)部的一些干擾濾波。變頻器和PLC系統(tǒng)連接以后，更方便技術(shù)人員利用編程技術(shù)控制電氣設(shè)備，利用變頻器及時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流大小，保障整個(gè)電力系統(tǒng)正常供電，還可以利用變頻器對(duì)整個(gè)電路、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)短路、斷路或電器元件接觸不良等故障，可以快速監(jiān)測(cè)故障位置，并及時(shí)發(fā)送安全警報(bào)，切斷故障單元電路，保證系統(tǒng)其他線路正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行。

4 PLC自動(dòng)控制技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

4.1 合理實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議

技術(shù)人員想要把PLC自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于變頻器，首先要解決二者之間的通信問(wèn)題，可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)建通信協(xié)議，進(jìn)一步優(yōu)化PLC控制程序和變頻器在程序上的銜接，保障設(shè)備流暢運(yùn)行。目前，技術(shù)人員常用的通信協(xié)議技術(shù)有MOD—BUS和自由口通信協(xié)議，可以根據(jù)企業(yè)電氣設(shè)備運(yùn)行需求、變頻器型號(hào)和生產(chǎn)線需求等因素來(lái)選擇通信協(xié)議方式，把變頻器和PLC技術(shù)真正融為一體，幫助企業(yè)安全提升生產(chǎn)效率。技術(shù)人員要把信號(hào)地設(shè)置在變頻器元件和電源相接處，把電源地設(shè)置在單片機(jī)和直流電源相接的位置上，這樣可以減少變頻器和PLC系統(tǒng)之間的線路距離，降低電力傳輸過(guò)程中的損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。此外，技術(shù)人員可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行接地處理，這樣可以減少輸入電路、輸出電路對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，還可以方便PLC控制技術(shù)搜集變頻器和電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，針對(duì)電流、電壓異常情況進(jìn)行分析，科學(xué)選擇單片機(jī)接地方式，一般情況下單片機(jī)接地線路的電阻要控制在100 Ω以內(nèi)，可以避免停電對(duì)電機(jī)造成損害，可以更好地保護(hù)變頻器。PLC控制技術(shù)和變頻器在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用，符合當(dāng)下智能制造發(fā)展理念，企業(yè)要鼓勵(lì)技術(shù)人員創(chuàng)新，加快PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)科研工作，把最新科研成果、科研專利轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，從而推動(dòng)企業(yè)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展。

4.2 及時(shí)抑制線路干擾

現(xiàn)代企業(yè)離不開大型電氣設(shè)備，變頻器和PLC控制技術(shù)可以幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)線，優(yōu)化企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)線路和變壓器線路，不斷優(yōu)化電氣控制技術(shù)。PLC控制技術(shù)可以有效降低變頻器受到的諧波干擾和線路干擾，保證電氣控制指令可以順利傳達(dá)，從而保證設(shè)備正常開啟、運(yùn)轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)線順利運(yùn)轉(zhuǎn)。技術(shù)人員可以把大負(fù)荷機(jī)械和單片機(jī)獨(dú)立配線，再把電源線、控制線和電網(wǎng)動(dòng)力線單獨(dú)配線，利用萬(wàn)用表及時(shí)檢測(cè)各個(gè)線路電流與電壓值，再把變頻器和PLC控制器接入電路中。部分企業(yè)把變頻器和PLC控制器線路設(shè)計(jì)不同的線槽，根據(jù)單片機(jī)和重型機(jī)械接線電線粗細(xì)、連接點(diǎn)等特點(diǎn)來(lái)重新設(shè)計(jì)線槽，而且線路之間的距離越大越好，這是因?yàn)榇蠊β试O(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的電磁信號(hào)，這會(huì)影響單片機(jī)控制器信號(hào)，因此，要把大型機(jī)械設(shè)備和單片機(jī)的線路分開，并保持一定的距離，這樣可以減弱大型機(jī)械對(duì)單片機(jī)的干擾。此外，技術(shù)人員可以在變頻器或PLC系統(tǒng)中安裝一些半導(dǎo)體元件，幫助單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如安裝一些電磁元件或光感元件，對(duì)單片機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)換，再把這些信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，隔離電源信號(hào)，確保變頻器和PLC控制系統(tǒng)信號(hào)互不干擾，保證電氣設(shè)備按照PLC控制程序設(shè)定好的指令運(yùn)轉(zhuǎn)，減少安全事故的發(fā)生。

4.3 抑制電源干擾

大型機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)干擾變頻器和PLC設(shè)備信號(hào)，技術(shù)人員可以從大型機(jī)械入手，選擇隔離性能良好的電源，并在線路中安裝高壓放電設(shè)備，降低電源線、信號(hào)線等發(fā)出的干擾信號(hào)，還可以科學(xué)監(jiān)測(cè)變頻器自身發(fā)出的干擾信號(hào)，可以安裝一些濾波器，過(guò)濾變頻器自身產(chǎn)生的干擾電磁波。技術(shù)人員可以為變壓器和生產(chǎn)車間單獨(dú)配線，根據(jù)設(shè)備額定電流、電壓和變壓器功率等選擇電線，并根據(jù)電氣設(shè)備電網(wǎng)需求來(lái)選擇變頻器和PLC控制器型號(hào)，保證電氣設(shè)備電網(wǎng)運(yùn)行安全。此外，技術(shù)人員可以把變壓器進(jìn)行接地處理，把變壓器的電源輸入與輸出線路接地，可以抑制變壓器產(chǎn)生的干擾，還可以在電源口連接濾波電路，減少大地對(duì)單片機(jī)工作的影響，還可以保證整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行。變頻器和PLC控制系統(tǒng)無(wú)形中會(huì)影響企業(yè)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行，雖然實(shí)施了模塊化管理，但是電壓的波動(dòng)也會(huì)影響PLC控制系統(tǒng)的信號(hào)，技術(shù)人員可以根據(jù)大型機(jī)械設(shè)備、變頻器和PLC控制系統(tǒng)需求，打造集成電壓器，利用這一設(shè)備來(lái)控制電壓，削弱電源設(shè)備的信號(hào)干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC控制系統(tǒng)和變頻器是電氣自動(dòng)化控制的核心，技術(shù)人員要積極學(xué)習(xí)新技術(shù)、新理念，研發(fā)新型號(hào)變頻器，把人工智能技術(shù)融入PLC編程系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升電氣設(shè)備工作效率，促進(jìn)PLC系統(tǒng)和變頻器的結(jié)合，發(fā)揮它們安全性高、節(jié)能性強(qiáng)、便于操作、智能化控制等優(yōu)勢(shì)，提升企業(yè)電氣設(shè)備生產(chǎn)效率，為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展注入新活力。

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