基于PLC與變頻器的節能控制系統應用

欒成寶

（大連市技師學院 遼寧省大連市 116021）

PLC（可編程邏輯控制器）和變頻器是電氣自動化中的核心技術，以PLC 與變頻器為依托構建的控制系統，能夠對電動機進行控制，從而達到節能降耗的目的。電動機作為工業自動化的重要設備之一，其能耗相對較高，節能潛力巨大，而想要從根本上降低電動機的能耗，就必須對其運行過程進行有效控制。為達到預期中的控制效果，可以對PLC 和變頻器進行聯合運用。下面就基于PLC與變頻器的節能控制系統應用展開分析探討。

1 PLC與變頻器的選擇及參數設置

1.1 PLC選型及I/O點數確定

1.1.1 PLC 選型

在PLC 選型之前，需確定電動節能控制系統對PLC 輸入輸出和通信端口的要求，根據具體要求分配I/O 地址，保證PLC 的輸入繼電器、輸出繼電器分別對應各個輸入信號、各個輸出信號，提高PLC 選型的適配性。PLC 系統主要包括變頻器、電動機、觸摸屏、檢測電路等，其中變頻器輸入對應報警、故障，輸出對應啟停、故障清除；電動機輸出對應電阻接觸器、轉子短路接觸器、定子側接觸器；檢測電路輸入對應轉子電壓幅值、轉子電流頻率、定子電壓、定子電流；觸摸屏對應通信功能。所以，PLC 需具備數字輸出點6 個，輸入點4 個，模擬量輸入點4 個，以及S485 通信2 路。為滿足以上要求，建議選擇西門子S7-200PLC，該PLC 具備以下功能：PID參數自定義；程序結構簡單，可實現結構化編程；尋址方便，指令功能強大，能夠對接多個設備接口，方便多個系統控制；人機操作界面豐富，可設計滿足用戶多種需求的觸摸屏或顯示屏操作界面[1]。

1.1.2 I/O 點數確定

I/O（輸入點/輸出點）是PLC 的基本參數，應當以匯總表作為依據，對I/O 點數進行合理確定。要給I/O 點留出一定的余量，并對制造成本予以充分考慮，當出現如下情況時，可適當增加I/O點的余量：控制對象存在不明確的要求；I/O點數無法進行完整統計；PLC 本身的擴展難度較大，而控制系統存在變動的可能；PLC 運行環境較為惡劣；不便于維修等。由于PLC 的I/O 沒有固定的計算公式，所以應按照實際情況進行確定。

1.2 變頻器選型及參數設置

1.2.1 變頻器選型

選用西門子MM440 變頻器，該變頻器由微處理器控制三相交流電機調速，空濾輸出采用絕緣柵雙極型晶體管，可提升變頻器運行的可靠性；MM440 采用組態靈活的模塊化設計，接口為RS-485/232C，可滿足用戶自定義I/O 端子功能的需求，實現對電動機的多重保護；MM440 中配置FCL（快速電流限制）和FCC（磁通電流控制），可避免出現跳閘現象，提升了動態性能，能夠在變頻器低頻運行時輸出較大力矩[2]；MM440 的輸出功率在0.75-90kW，能夠適用于大功率、多變速的應用場合，其節能控制系統為的ECO，采用矢量控制方式達到延時釋放機械制動、提高類負載功能、實現超前吸合控制的要求；MM440 支持監控設備連接，可對傳動帶系統運行進行監控，以避免生產線運行出現故障；MM440 可對PID 控制器進行參數自定義，在主/從控制方式上采用閉環轉矩控制，能夠同時驅動多機同軸運行；MM40 可對頻率和電壓進行分開控制，保證兩者控制的獨立性，單獨對兩者進行調整，以保證功率因素和轉速達到節能要求。

圖1：基于PLC 與變頻器的電動機節能控制系統架構

圖2：變頻器輸出波形相位匹配示意圖

1.2.2 參數設置

變頻器的相關參數設置是一項較為重要的工作，為確保設置參數合理，應當掌握設置步驟，具體如下：

（1）對變頻器進行初始化，使其所有的參數全部恢復為出廠的設定值，即P0010=30,P0970=1,P0003=3。

（2）令參數P0304 為電動機的額定電壓；P0305 為額定電流；P0307 為額定功率；P0310 為額定頻率；P0311 為額定轉速。在對上述參數進行設置時，不可按實際的電動機進行設置，這是因為這些參數是后續變頻器需要接到電動機定子側上的參數，若是變頻器需要在電動機的轉子側上應用，則應當根據實際數值進行折算。

（3）令參數P0700 為遠程控制方式，將基準頻率設定為P2000=1-650Hz，即I/O 輸入的最大頻率。變頻器啟動進入正常運行狀態后，無法對輸出電壓值進行直接調節，為達調節目標，應進行二進制互聯操作，即將輸出電壓值的參數設定為2889.0。當所有參數全部設置好以后，變頻器的性能便可達到電動機節能控制系統的要求。

2 基于PLC與變頻器的節能控制系統應用

2.1 電動機節能控制系統結構設計

根據PLC 和變頻器的參數設計電動機的節能控制系統。節能控制系統利用PLC 對變頻器、檢測電路和切換電路進行控制，以達到節能運行目的；觸摸屏提供人機交互界面，對系統運行參數和電機狀態進行可視化呈現，方便用戶在界面上操控系統，監視系統運行狀態；檢測電路檢測定子側電壓、電流功率因數、電機轉子電流相位、電壓幅值、電機轉速、電流頻率等數據，將檢測數據信息傳輸到PLC 中，由PLC 對數據進行統計分析，啟動節能控制措施；電機起動器主要用于切換電路，實現異步與雙饋之間的轉換，以保證電機處于平穩的工作模式下。在PLC 中寫入節能算法，預先設置節能控制策略，在控制電機狀態時通過變頻器的參數變化來實現，可取得良好的電動機節能控制效果。基于PLC 和變頻器的節能控制系統架構如圖1所示。

2.2 主電路與控制電路

2.2.1 主電路

本次開發設計的節能控制系統的主電路由兩條回路構成，即直流發電機回路、電動機控制回路，前者是后者的負載，后者的定子繞組與功率為50Hz 的工頻電網相連接，轉子繞組借助變頻器進行供電，并饋入頻率、相位以及幅值等，以此來對電動機的轉速進行控制。節能控制系統主電路的關鍵元件包括電動機、直流發電機、調壓器、變阻箱、定子與轉子參數檢測電路、交流接觸器、變壓器、開關、變頻器、PLC 等。

2.2.2 控制電路

本次開發的節能控制系統的控制電路結構相對比較復雜，主要包括轉速檢測電路、轉子相位檢測電路、定子電壓與電流檢測電路、轉子電壓幅值檢測電路、變頻器及PLC 等等。其中PLC 是控制電路的控制器，通過對檢測電路發送出來的信號進行接收，對電動機運行狀態的參數進行分析。此時PLC 會依據接收到的參數，并按照相應的程序算法，對變頻器輸出和接觸器線圈等進行控制，從而完成電動機運行狀態的控制，達到節能降耗的目的。

2.3 起動控制電路

電動機轉子和定子分別與變頻器及工頻電網連接，當電動機正常啟動時，在非常短暫的時間內會出現較大的啟動電流，基于這一前提下，無法通過直接啟動的方法開啟電動機。正義如此，電動機基本上都是通過間接啟動的方法來開啟。經過間接啟動的電動機，可以按照實時檢測到的轉子繞組運行參數，對轉子勵磁電源的瞬態輸出參數進行控制，由此可實現異步運行模式的平滑轉換，在此基礎上，電動機能夠順利完成啟動。

2.3.1 變頻器的瞬態特性

本次開發的系統中變頻器是核心部分，采用的是西門子公司的MM440 變頻器，這款變頻器本身具備非常強大的參數設置功能，其中比較重要的幾個參數如下：

2.3.1.1 P1120

該參數表示變頻器在輸出最大頻率時需要耗用的時間，具體而言，就是變頻器的輸出從原本的靜止狀態，加速至最高頻率的用時。需要指出的一點是，當斜坡的上升時間設定的過短時，變頻器可能會出現跳閘的現象。

2.3.1.2 P1820

該參數表示影響變頻器輸出最大功率用時函數的斜率。

當按照控制需要對變頻器的參數進行合理設定后，變頻器啟動過程中產生的相電壓波形，經分壓濾波電路處理后的情況如圖2所示。

從圖2 中能夠清楚的看到，變頻器在啟動的瞬間會進入工作狀態，并輸出電壓，輸出達到基本穩定耗用的時間約為500ms，與饋電標準的要求相符。圖2 中的t0，t1，t2，t3和t4分別代表不同的內容，依次為：轉子電壓波形正向過零點、過零點脈沖、PLC 程序、變頻器啟動、輸出穩定波形的時刻。本次開發的節能控制系統能夠在電動機轉子側電流頻率已知的前提下，得出變頻器輸出給定頻率的用時。由此可見，對變頻器的參數進行合理設置，能夠達到控制瞬態輸出時間的目的，這樣可使變頻器的輸出電壓波形與轉子側的電流波形相匹配，從而使電動機完成平穩過渡，給啟動控制提供了可靠保障。

2.3.2 電路設計

對于變頻器而言，若是在輸出合適的電流時，完成較為穩定的饋電，則要求控制系統能夠檢測出電動機處于異步運行模式下轉子側電流的相位。基于這一前提，可對節能控制系統啟動控制電路進行設計。在實際設計的過程中，應當明確相位饋入點檢測控制電路的工作原理，具體如下：引出電動機轉子側接線，與切換電路進行可靠連接，由PLC 負責控制切換電路，電動機處于異步模式下，過零點檢測電路能夠準確監測出波形的正向過零點；隨后檢測電路會在過零點的位置處產生出一個脈沖，并發送給PLC，作為觸發信號，當PLC 檢測到這個觸發信號時，便會啟動變頻器；最后PLC會通過對切換電路的控制，使低通濾波器斷開，避免檢測電路受損，此時電動機的轉子會與變頻器相連接，實現穩定饋電。

2.4 變頻器釋放電路

在對變頻器的容量進行釋放時，降壓是較為有效的方法之一。從本質的角上講，變頻器容量的釋放應當在不改變容量的情況下完成，借助變頻器本身的變壓范圍，對輸出電流進行逐步提升，最終滿足電動機控制系統的需要。在理想狀態下，變壓器的原邊與副邊之間的電壓比與電流的反比相等，也就是說，采用降壓的方法，能夠使變頻器的容量得到釋放，據此可以設計出一個釋放電路。具體如下：將變頻器與變壓器的原邊相連接，電動機的轉子與變壓器的副邊相連接，此時的變壓器變比在電動機重載工況下，當功率因數為1 時，副邊所需的電壓和電流分別為13V 與9A，而變頻器需要輸出的電壓與電流分別為39V 和3A，即變頻器釋放了大概3 倍左右的容量。在此要著重闡明的一點是，電動機的轉子具有感應電壓的特性，受到這個特性的影響。使得變頻器輸出的全部都是低頻電壓。鑒于此，本次開發的節能控制系統中，降壓變壓器應選用低頻變壓器，以此來滿足變頻器的需要。

2.5 節能效果

在風機、水泵類負載運行狀態下，電動機存在著輕載時間長、負載變化性大的現象。當電機起動次數減少時，電動機即便是處于輕載狀態也會產生電能消耗，導致電網功率因數減低，出現能源浪費問題。根據相關規定，功率因數若低于0.85-0.9，則要將其認定為無功功率，需繳納無功功率電費。而電動機節能控制系統可顯著提升輕載狀態下的電機節能效果，通過計算結果顯示，在輕載狀態下電動機平均每年可節省30%以上的電費支出。

3 結論

綜上所述，為解決電動機能耗過高的問題，本文基于PLC 和變頻器開發出節能控制系統，重點對PLC和變頻器的選型進行介紹，給出關鍵電路的設計方法，該系統的節能效果較好，具有良好的推廣使用價值。未來一段時期，應當加大對PLC 和變頻器的研究力度，對各方面性能進行逐步改進和完善，從而使其在節能控制中的作用得以充分發揮。