基于變頻器的主要通風機控制系統

程玉龍

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

隨著變頻器技術的發展，大功率變頻器技術逐漸成熟，同時礦山生產對能耗控制的需求越來越大，變頻器在煤礦主要通風機上的應用日益廣泛。在構建礦山主要通風機站監控系統時，如何設計PLC 或其它主控制器與變頻器進行數據交換，達到監測監控目的，成為新的課題。通過合理架構主控制器與變頻器的數據交換及控制方式，可以使系統數據傳輸穩定、工作可靠，進而提高生產監控的安全性[1-4]。

1 變頻器常見控制方式

變頻器的基本原理是將輸入的三相工頻交流電先整流成直流電壓，然后通過逆變電路等處理，將直流電壓逆變為頻率、電壓可控的交流電波形，進行輸出，驅動電機運轉[5]。

變頻器一般有多種頻率控制方式，大體可分為下面5 種：

1）通過控制面板上的電位器對運行頻率進行調節。控制面板上帶有1 個旋鈕，其內部是1 個電位器，對旋轉按鈕的調整實質上是改變電位器輸出阻值的大小，采樣及控制電路即依據阻值的變化調整變頻器的輸出頻率。

2）通過控制面板上的UP、DOWN 按鈕進行頻率調節。在變頻器運行時，使用其控制面板上的UP 鍵增加輸出頻率，DOWN 鍵降低輸出頻率。

3）通過控制自定義開關量接口端子進行頻率調節。開關量輸入端子接受干觸點信號，通過不同觸點的閉合、斷開，設置不同的輸出頻率。具體有2 種頻率調節方式：1 種是段速調節，即預設不同的頻率定值，端子上輸入不同的邏輯組合，選擇不同的頻率定值輸出；1 種是端子控制頻率增減，通過端子閉合時間的長短，決定頻率的增減量。

4）通過485 總線進行頻率調節。在變頻器運行過程中，通過RS485 總線讀寫對應的寄存器地址，寫入頻率值，變頻器即輸出對應的頻率。

5）通過模擬量端子進行頻率設定。在變頻器的模擬量輸入端子上輸入不同的模擬量，如0～10 VDC 電壓信號、0～20 mADC 電流信號、不同頻率的脈沖信號等對變頻器的輸出頻率進行設定，輸入信號是保持信號[6]。

2 系統設計

2.1 現場情況

原主要通風機站變電所內設置有4 臺變頻器柜，分別控制主要通風機的2 臺電機及備用通風機的2 臺電機，變頻器柜的頻率調節方式是通過變頻器面板上的電位器旋鈕控制，控制則使用旋轉開關實現主要通風機的啟動、停止、反風操作。旋轉開關位于右邊檔位是正常啟動通風機；位于中間檔是停止運行通風機機；位于左邊檔位則是反風運行通風機。此種變頻器的控制方式，即為二線制工作方式。其中變頻器柜面板上安裝有1 個三檔位的旋鈕組合開關，K1 和K2 作為組合開關上的2 組不同觸點，分別控制變頻器控制端的FWD 端子和REV 端子。因當前控制方式無法滿足自動控制的要求，因此需要對變頻器的控制方式進行改造，使其適應具有無級調速功能的需求。

2.2 PLC 對變頻器頻率的控制

PLC 控制器可以提供常見的無源繼電器觸點輸出、RS485 總線通訊、模擬量輸出。對于面板控制的按鈕，旋鈕，由于沒有對應接口，無法直接使用PLC控制器進行控制。只有后3 種頻率調節方式可以由PLC 控制器進行控制。

在通風機運行時，影響風量的因素很多，一般有風量與轉速的立方成正比關系[7-10]，基于變頻器控制的主通風機系統一般是通過微調電動機運行頻率來實現通風量的控制。在監測通風量的同時，微調變頻器的運行頻率，要求頻率的變化值小，以避免造成通風量的劇烈波動。使用固定的頻率段來調節通風機電動機的運行頻率并不方便，無法實現無級調速，因此，并不適合頻率段控制方式；使用RS485 通訊方式控制變頻器的運行頻率則存在1 個問題：當PLC 出現故障等情況，必須重新通過變頻器的控制面板設置運行參數后，方可現場人工調整頻率，而一般的變頻器，正常運行時改變頻率設置并不生效，必須在停機狀態設置控制方式，這給生產造成一定不便，在緊急情況下，是種隱患。而且，通過RS485 總線對變頻器進行讀寫，需要合理調度讀寫時序，對讀寫時的通訊質量狀態進行判斷，從而增加程序編制復雜性；而使用模擬量對變頻器頻率調節，同樣存在一種隱患：模擬量需要一直輸入，PLC 控制柜如果突然斷電、異常，則將導致模擬量沒有輸出或者異常，給通風機運行帶來不確定因素，一旦出現問題，通風機將無法正常運行。

綜上，使用變頻器的開關量端子控制頻率增減方式，是比較好的選擇：①PLC 通過無源繼電器觸點控制變頻器，抗干擾能力強；②PLC 可以通過定時器給出精準的繼電器閉合時間，調整頻率的步進值一致性好；③PLC 的運行與變頻器的工作關聯相對弱，只有調節頻率的時刻，才通過繼電器的閉合時間控制頻率，正常工作時，并沒有輸出；④端子可以引至開關柜面板按鈕上，在PLC 故障或不工作期間，操作員仍可手動切換頻率，并不影響正常生產，提高整個系統穩定運行的容錯性，同時給檢修、測試帶來極大便利。

2.3 變頻器工況參數監測

使用PLC 獲取變頻器的工況參數時，需要注意的是：變頻器的工況參數較多，如進線電壓、輸出電壓、設置頻率、運行頻率、輸出電壓、輸出電流、轉速、輸出功率等參數，尚有過流、過壓、欠壓、過載等故障，而變頻器的模擬量端子有限，一般只能提供運行頻率等有限參數，并不能提供全面的參數，不便于掌握變頻器的主要工況，因此，主控制器使用RS485總線接口，讀取變頻器內部寄存器，獲得工況參數比較適宜。

綜上所述，系統的邏輯結構如下設計：PLC 控制器與變頻器之間，劃分2 種數據交換通道。控制采用開關量控制，由PLC 控制器通過繼電器的無源觸點，操控變頻器的控制端子，實現控制功能；PLC 控制器通過RS485 總線，連接變頻器，根據通訊協議，讀取變頻器內部寄存器以取得實時工況數據。PLC與變頻器控制邏輯圖如圖1。

2.4 設備改造

改造需要綜合考慮控制方式是否可靠，所用材料是否節省，施工難度是否低。變頻器控制端子改造接線原理圖如圖2。

圖1 PLC 與變頻器控制邏輯圖Fig.1 Logic diagram for control the inverter

圖2 變頻器控制端子改造接線原理圖Fig.2 Changed wiring for control the inverter

在原變頻器柜體上開孔，增加4 個按鈕SB1～SB4，分別作為通風機電機控制變頻器的合閘、分閘、運行頻率增加、運行頻率減少控制按鈕，其中分閘信號需要接按鈕的常閉觸點，其他控制接常開觸點。同時保留變頻器柜體上的原旋轉開關K2，將其作為正/反轉信號保持開關，開路作為正轉控制，閉合作為反轉控制。

按圖紙改造變頻器柜控制線路后，因為所接的控制端子發生改變，需要找到變頻器設置菜單中的對應參數，進行設置，以重新定義控制端子的功能，變頻器參數重新定義表見表1。

以上參數設置只涉及了本次監控改造部分，未涉及電機運行參數設置。變頻器的控制方式設置為三線制2，在該模式下，正反轉控制REV 端子使用保持信號，常開即為正轉，常閉即為反轉，使用原旋轉組合開關控制。

該變頻器的RS485 通訊支持2 種協議：ASCII字符串方式和標準的MODBUSRTU 方式。因為PLC開發程序中，MODBUSRTU 方式較為常見且容易實現，因此，將對應的參數位設置為MODBUSRTU 工作方式。

表1 變頻器參數重新定義表Table 1 Redefining the parameters of the inverter

2.5 固件程序

因為PLC 的一個工作特點是程序可以并行方式執行。因此可以將RS485 通訊程序塊、數據解析程序塊、無級調速頻率控制塊編寫為相對獨立的模塊，而不必考慮其具體時序關系。

針對MODBUSRTU 通訊協議，固定的參數存儲在固定的寄存器內，只需發送固定格式的讀取命令，讀取各寄存器里面的參數，然后按寄存器分配表進行解析即可。

系統采用1 臺PLC 控制柜控制1 臺主要通風機的方式，因此，PLC 需要與主要通風機的1 級變頻器柜和2 級變頻器柜進行通訊。因為2 臺變頻器的通訊方式都是只讀方式，通訊方式單一，宜使用分時間段定時輪詢的方式。預估正常通訊時間，然后加一定余量，以此為通訊周期，順序讀取2 臺變頻器的參數，即可完成變頻器的參數讀取。讀取變頻器的流程圖如圖3。

每次在RS485 總線上進行設備的輪詢，都需要考慮通訊質量問題，包括設備無應答時間、設備不回復重新發送查詢命令次數、數據幀校驗不通過等異常情況。在保障數據讀取正確的情況下，使用盡量少的讀取次數可以提高通訊效率。MODBUSRTU通訊協議支持1 次讀取多個連續的寄存器，但不同廠家設備的通訊方式略有差異，讀取連續地址寄存器的位數不同。現場變頻器在每次RS485 通訊過程中，支持1 次讀取地址3000 寄存器至3014 寄存器共計15 個寄存器。這樣在PLC 程序的時序時序設計上可以1 次讀取所有需要的寄存器，從而使程序簡潔，減少RS485 總線上的輪詢時間。

圖3 讀取變頻器的流程圖Fig.3 Flowchart for reading the inverter

變頻器調節運行頻率的最小步長值是0.01 Hz，表1 中設置的的頻率跳動速率為1 Hz/s，則在頻率改變端子X2和X3上，每次輸出100 ms 的觸點閉合信號，即可以將變頻器當前運行的頻率值增加0.1 Hz。根據現場要求，改變變頻器運行頻率的流程圖如圖4。

圖4 改變變頻器運行頻率的流程圖Fig.4 Flowchart for changing the frequency of the inverter

3 結 語

使用PLC 控制器控制基于變頻器控制的主要通風機系統，需要結合現場實際，因地制宜，綜合考慮軟件和硬件的架構方式，設計符合實際要求的方案；對變頻器無級調速的需求，使用PLC 的定時器，配合開關量端子控制變頻器的頻率調節，可以獲得較為精確的頻率輸出；將變頻器的控制與參數讀取在數據流上進行相對獨立，可以有效減少固件程序復雜性，減少故障幾率，提高系統響應時間，是一種比較可靠的架構方式。