關于PLC和變頻器實現電氣自動化控制的分析

馬茂軍，范鵬章，王 棟，楊曉紅，王延明

（1.東營市技師學院，山東 東營 257000；2.東營市市政工程公司，山東 東營 257000）

0 引 言

目前，工業生產過程需要依托于大量的電氣設備，傳統技術理念、設備等方面的滯后性使其難以在當下以至未來為企業創造更高的經濟效益，而如何運用新技術、新理念提升工業生產的質量、效率也就成為目前企業負責人以及相關研究人員共同關注的話題。本文重點研究PLC以及變頻器在制冷機組中的應用，分析PLC與變頻器在電氣設備自動化控制中體現出的不同價值及作用。

1 PLC與變頻器概述及其在制冷機組中應用的目的及意義

1.1 PLC與變頻器簡述

PLC系統是廣泛應用于現代工業生產過程中的一種邏輯控制器，能夠利用可編程的儲存器對自動化系統程序中的各種數據進行解碼、儲存、撤銷等處理，以執行邏輯運算以及順序控制等指令[1]。

變頻器是一種可以轉換工頻電源頻率的設備，其主要功能有變頻調速、轉換功率因數等，變頻器的存在能夠有效提升電氣自動化控制的運轉精準度[2]。

1.2 PLC控制器與變頻調速技術在制冷機組中應用的目的

第一，個性化節能控制。可編程控制器能夠依照客戶的個性化需求，通過交互界面完成對制冷系統吸氣壓力以及吸氣壓力目標值等方面的控制，同時也可以靈活調整制冷系統中壓縮機的實際運轉頻率，達成提升制冷系統輸出回路穩定性、降低壓縮機啟停次數、減少制冷系統耗電量、提高整體制冷系統運行效率等目標，最終實現對制冷機組的節能控制。

第二，全方位保護功能。為保障制冷機組維持長時間的有序運轉，安裝了高低壓壓差開關、過電流繼電器、溫度傳感系統、冷凍油液控制器等[3]。以上系統、器械的信號能夠被PLC可編程控制器進行統一收集、管理，并且可以在機組任意組成部分出現故障的情況下自動觸發警報，甚至在必要情況下直接停機，全方位地保護整體制冷系統運行的安全性以及機組周圍電網電路的穩定性。

第三，數字化管理。可利用電容觸摸屏、電腦應用界面等作為人機交互界面，通過對相關模塊的操作調動整體制冷機組的運行，同時可以控制查找壓力、溫度、機組故障、既往數據等內容，并且可以對制冷機組的運行參數進行靈活控制[4]。

第四，遠程數據傳輸。為實現制冷機組相關數據異地傳輸的目標，本文研究選用了GPRS遠程無線傳輸技術以及WiFi技術，實現在GPRS、WiFi等無線網絡覆蓋區域中的實時信號傳輸。相較于傳統制冷機組技術而言，本文研究目標無需過于復雜的線路布置，在降低安裝與運營成本的基礎上維護了制冷機組作業環境的安全性。

2 PLC以及變頻器在制冷機組中的研究意義和主要研究內容

本文對PLC以及變頻器的主要研究意義，在于以PLC和變頻器在制冷機組中的研究充實整體電氣自動化控制領域的研究成果，進而實現工業領域在降低水電氣能耗的基礎上提升工業自動化電氣設備運行效率與質量的目標[5]。

提高自動化水平是當下眾多工業領域孜孜以求的發展目標與防線，而PLC以及變頻器在自動化控制系統中的應用正滿足了這一需求。故本文的重點研究內容為：①分析制冷循環系統中的電機轉速、電機輸出功率以及實際制冷負荷需求三者間的相互關系，驗證PLC以及變頻器在制冷系統中的全自動控制與節能效果；②分析傳統制冷機與變頻制冷劑的運行數據，分析變頻技術對制冷機溫度控制精準度的作用；③應用變頻器的可控性，加之PLC可編程控制器以及交互窗口控制器協同作業于提高制冷機組的自動化水平、增強機組實際工作效率的可操作性。

3 PLC與變頻器的型號選擇

3.1 對PLC型號的選擇與程序設計

PLC如今已經成為電氣設備自動化控制過程中不可或缺的組成部分，其不僅能夠有效發揮出相關技術的優勢，同時也能夠促進不同型號設備運行性能的最大化。依照本文研究的側重點和基礎的控制要求及配置，最終選擇了OMRON公司所生產的PLC可編程控制器，其型號為CP1H-XA40DR-A，僅憑借此一臺控制設備就能夠滿足對制冷機組的全部控制，無需另外銜接其他類型的PLC程序與模塊。例如，傳統制冷機組中想要達成對冷媒以及冷凝器的控制，需要通過技術人員手動調整相應儀器構件，不僅操作時間較長，而且缺乏精準度。而使用CP1H-XA40DR-A后，技術人員只需要在觸屏交互面板上對相關的構件、設備進行指令發放與參數調整，便可以實現遠程控制。

3.2 對變頻器型號的選擇

目前，市面上各個廠家的變頻器在使用過程中皆有一定的概率出現如“開關電源損耗大”“LGBT模塊損壞”“OH過熱”“UV欠壓故障”等問題，因而對變頻器的選擇應該保持與對PLC的選擇一致，相關技術人員在選擇變頻器的過程中也要充分考慮其在實際使用過程中的各種影響因素，從而依照電氣自動化控制的實際需求來橫向對比變頻器的質量與性能。本機組的研究過程中選用了日本安川變頻器，其型號為CIMR-J4-500B。依照相關變頻運轉試驗報告可以得知，其變頻運轉的各項參數基本符合本研究壓縮機運行的基本需求。并且在經過實際測試之后，可知CIMR-J4-500B變頻器對15HP壓縮半封閉壓縮機的控制效果以及各項參數比較符合研究要求。因此，本研究同步選擇了兩臺15HP壓縮半封閉壓縮機并聯CIMR-J4-500B變頻器構成壓縮機組。該壓縮機組以“定頻+變頻”同步運轉的方式，共同服務于制冷機組，其中變頻機組的實際運轉調節范圍在“40%～120%”的無極調節。

3.3 針對變頻器中PLC模塊的選擇

針對變頻器中PLC模塊的選擇，需要對PLC控制系統模塊的電源質量、儲存器容量、反應速度、通信質量等進行全方位的分析，重點關注擁有更強控制功能的選項，以保障相應備選PLC模塊能夠與變頻器運行的穩定性、安全性，保障其能夠共同作用于電氣設備自動化控制工作之中。以PLC儲存器為例，本研究選用的PLC儲存器為針對系統的EEPOROM儲存器，用于存放系統程序以及相關數據。針對技術人員方面選用了PORAM儲存器，用于存放技術人員設置的相關參數與數據、更改記錄等。反觀變頻器中其余PLC模塊，其在性能、造價、使用周期等方面的區別較小，不同型號的選擇對本文的研究結果影響程度不深，因而并未進行特殊處理與試驗。

4 制冷原理以及制冷系統組成理論分析

首先是制冷原理，其在熱力學觀點中可以闡述為“以反向循環的熱能轉換系統”。冷媒受到活塞壓縮做工而轉變為反向熱傳導循環，促使低溫載體傳向高溫環境傳輸熱能，而系統的作用就是在這一過程中進行補償做功。其次是制冷機組的基本循環，其可分為蒸發、壓縮、冷凝與膨脹4個過程。

4.1 PLC以及變頻器在制冷機組的應用

傳統制冷機組會選擇通過調整設備所處空間溫度、控制冷凝劑用量等方式達成控制環境溫度的目標，操作較落后。而本研究的制冷機組可以通過對PLC控制器以及變頻器的利用來精準控制制冷機組被控環境的溫度。如圖1所示，由PLC控制器以及變頻器共同構成的控制系統能夠有效實現對制冷機組的全自動化控制，其參數以及變化歸路也能夠得到較好滿足。在該控制體系中，通過變頻器與PLC的協同作用，使得兩臺冷卻泵W1以及W2和兩臺冷水泵W3以及W4進行運行控制，以制冷循環的內部為主要出發點，全方位地提高制冷機組的自動化控制運轉效率。

圖1 控制系統功能結構

4.2 控制硬件系統設計

依照圖2所示，冷卻泵W1所使用的變頻接觸器是KM2，因此需要接觸器KM2與W1變頻器進行連接后才能夠有序運行。同理，接觸器KM1可以作為W1變頻器的工頻接觸器，因此只有在KM1與冷卻泵互相連接的情況下，整體制冷機組的輸泵電路才能夠連接到變頻器之中。借助上述內容便可以更好地理解冷卻泵W2的運行原理，也就是冷卻泵W2的變頻接觸器與工頻基礎器為接觸器KM4以及KM3出水以及回水溫度需要通過兩個PLC長安器進行控制，同時通過PLC溫度采集模塊FX2N-4AD-PT將其二者進行有效銜接，并且該轉化過程中產生的數字量與數據信息等都要通過PLC進行運算與儲存，而后通過輸出面板將運算結果轉換為模擬量。變頻器就是通過這種方式來達成對水泵轉速的控制。伴隨著出水與回水溫度的變化，水泵的轉速也會發生相應的改變，因此通過對溫度的合理把控來有效控制制冷系統中水泵的運轉速度，進而達成電氣系統全自動控制的目標。

圖2 冷卻泵W1主電路原理圖

4.3 控制系統的輸入及輸出分配

PLC屬于工業可編程控制器，其核心組成部分為微處理器，其余則由計算機技術、半導體儲存技術以及自動控制技術等共同組成。本文選擇了FX2N-32MR信號的PLC可編程控制器以及FX2N-4AD-PT模擬量輸出模塊。PLC可編程控制器在制冷機組對并聯壓縮機裝填進行控制時，需要與制冷系統中的吸氣壓力傳感器進行聯通感應，通過對吸氣壓力傳感器所產生的吸氣壓力數據進行采集，而后通過變頻器計算處理相關數據完成對輸出頻率的控制。除此之外，為保障制冷機組以及整體制冷系統運行的穩定性，需要對PLC可編程控制器進行處理，使其能夠有效控制油壓開關、油位控制器、低電壓保護器等系統、模塊所生成的數據信號[6]。

4.4 操作界面制作

操作人機界面可以根據整體系統的運行狀態以及上位機的操作指令來進行數據畫面的表達，操作人員方面可以通過人機界面進行與整體系統的管理以及與上位機之間的交流[7]。除此之外，操作界面也可以依照制冷系統的吸氣壓力運行曲線進行顯示并儲存相關數據，指令機組的故障報警以及相關故障數據也可以顯現在操作界面之上，以待工作人員進行進一步的操作處理。同時，制冷機組壓縮機的具體回液狀態以及其吸氣過熱等都可以通過交互界面進行指令控制。本文選用了MCGS組態軟件設計制作制冷機組人機交互界面的開機界面、操作界面以及監視界面如圖3所示。

圖3 交互界面設計

4.5 控制程序軟件設計

控制程序的軟件可以簡單概括為以下內容：首先是A/D轉換程序，制冷系統通過對數字模型的轉換所取得的數據信息可以保存在寄存器之中，而數字信息的轉換可以通過PLC模塊完成，從而連同變頻器共同控制水泵的運行效率。其次是自動調速程序，工作人員可以將溫差采集階段時間設置為5 s，以此來適應冷卻水的溫度變化速度。同時，變頻器的運行效率也可以依照溫差的相關參數進行合理調整[8]。例如，當溫差大于5 ℃時，變頻器便自動將頻率調整為0.5 Hz。依照這種方式，便可以充分發揮變頻器的使用價值，與可編程控制器共同實現對電氣系統的自動控制。最后為冷卻泵出水、回水溫差計算程序[9]。此外可以在該程序中設置出水以及回水的標準溫度，同時設置回水溫度通道、冷卻水出水水溫通道以及單獨的回水溫差寄存通道[10]。

5 結 論

總而言之，PLC與變頻器協同作用于電氣設備自動化控制之中能夠有效降低系統運行故障的發生概率，幫助達成彌補生產不足、提高生產效率的美好愿景。如此就需要相關技術人員與研究人員能夠加強對PLC和變頻器的關注，同時針對電氣設備自動化設備的不足以及其運行過程中的漏洞進行細致分析，利用PLC和變頻器的共同作用去進一步改善、優化操作系統，為工業、企業日常生產活動的有序性、穩定性及高效性奠定基礎，助力社會的發展。