淺談PLC自動控制技術在變頻器中的應用

（河南理工大學鶴壁工程技術學院，河南鶴壁市，458000） 張增亮 吳曉靜

關鍵字 PLC自動控制系統(tǒng)；變頻器；機械自動化；工業(yè)生產(chǎn)

1 PLC控制系統(tǒng)

1.1 PLC自動控制技術發(fā)展史

20 世紀60 年代之前，世界上最為先進的控制技術是繼電接觸控制器控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)雖然有安全省力、易于實現(xiàn)繼電保護、控制開關多樣化等諸多優(yōu)勢，但是其劣勢也是顯而易見的，那就是存在有大量的中間繼電器，造成其整體線路非常復雜，因此工程師們開發(fā)新的控制技術，PLC就應運而生。PLC最初的設計理念就是利用軟件代替大量的中間繼電器及時間繼電器。在進行PLC設計初期，主要是開發(fā)其內(nèi)部的儲存器，并且通過指令進行邏輯及數(shù)學運算，實現(xiàn)動作的執(zhí)行。1970 年后，PLC技術飛速發(fā)展，首先在汽車行業(yè)中大量應用，并且逐漸走向成熟，隨著計算機及網(wǎng)絡技術的普及，PLC的功能在不斷的擴大，運行速度也在提高。21世紀后，PLC技術與電子芯片等技術相結(jié)合，已經(jīng)應用于各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)。我國PLC 技術發(fā)展稍晚于西方國家，經(jīng)過國內(nèi)工程技術人員不斷的學習和研制，PLC已經(jīng)大量運用于工業(yè)控制中，也出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的國產(chǎn)PLC品牌。目前，國產(chǎn)PLC品牌在全球市場份額占比中，距離一流PLC品牌仍有一定距離。

1.2 PLC自動控制技術的特點

PLC 自動控制技術功能性較強，一臺PLC 內(nèi)部有大量可供用戶使用的編程元件，能夠提供復雜的控制功能，性價比較高。其次，其軟、硬件設備配套齊全，使用方便。目前PLC自動控制技術的發(fā)展趨勢是使用便捷，即保證客戶可以靈活的選擇不同的組成功能及系統(tǒng)配置。另外，其可靠性較強，相比于傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，PLC 的抗干擾能力強，不易出現(xiàn)故障。

1.3 PLC自動控制技術基本結(jié)構(gòu)及應用領域

PLC 的硬件設施類似于微型計算機，一般包括中央處理器、儲存器、電源、程序輸入設備和輸入/輸出接口電路等，但是相比于微型計算機，PLC更適合于工業(yè)環(huán)境。其工作流程主要包括輸入采樣、執(zhí)行程序和輸出刷新。輸入采樣主要是將輸入端的任務及數(shù)據(jù)通過掃描等儲存于內(nèi)部儲存器中。執(zhí)行程序是指將輸入的狀態(tài)及數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)需要執(zhí)行相關的指令進行邏輯運算及處理，再將處理的結(jié)果返回至儲存器中。輸出刷新是指將之前處理的結(jié)果向外輸出或者進行執(zhí)行。其操作簡單，完成一個輸入/輸出周期后，自動進行待機狀態(tài)，等待下次使用。

PLC 目前應用非常廣泛，根據(jù)其體積大小分為大型、中型、小型、微型。一般情況下大型PLC系統(tǒng)中IO 點不低于1 024 個，應用于電廠或者冶金自動化生產(chǎn)線等相對操作較為復雜的產(chǎn)業(yè)，中型PLC系統(tǒng)含有256～1 024 個IO 點，主要應用于化工、造紙、加工等領域，小型及微型PLC系統(tǒng)中IO點在255以下，一般在小型包裝機、紡織、監(jiān)控等。

2 變頻器中PLC自動控制技術的實現(xiàn)

2.1 變頻器與PLC的選擇

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是大型電機均需要配備的一種改變電源頻率的設備，主要組成有主電路、整流器、平波回路和逆變器等。利用變頻器可以將固定頻率的電壓變?yōu)樘囟ㄔO備所需要的頻率和賦值，可以平滑穩(wěn)定的控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此近年來得到了廣泛的應用。變頻器在進行選擇時應根據(jù)企業(yè)本身的需求進行選擇，因為不同的電機設備對于電壓頻率的需求是不一樣的，需要充分考慮其機型、電源、容量、功能模塊等是否滿足要求。變頻器性能將直接影響其所在的電機控制系統(tǒng)的性能，因此，根據(jù)系統(tǒng)的控制需求進行適當?shù)淖冾l器選型也至關重要。

2.2 變頻器與PLC連接

2.2.1 基于通信協(xié)議的連接

連接PLC 與變頻器最常用的方法就是PROFIBUS-DP 通信，利用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線將設備連接構(gòu)成網(wǎng)絡后，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的信息交換和資源共享。PLC 本身具有通信功能，可以通過單主站方式、多主站方式或者自由端口通信等方式可與變頻器相連，隨后指令可以從PLC傳遞至變頻器的相應器中實現(xiàn)點對點的控制，此時變頻器就可以對指令進行反饋，包括運行情況或者故障警報等。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，兩儀器是連通的，其余時間均處于相互獨立的狀態(tài)，因此不會出現(xiàn)互相干擾的情況，可以保證變頻器的安全運行。另外PLC利用通信協(xié)議可以實現(xiàn)對不同型號的變頻器的同時控制，是一種高效的連通方式，也是目前市場上應用最為廣泛的模式。

2.2.2 變頻器端子與PLC系統(tǒng)相連

變頻器端子是連接器的一種，一般位于變頻器后蓋處，可以實現(xiàn)對控制回路及主回路的連接，變頻器的端子很多，主要用于傳遞各種電信號或者直接用于導電。利用變頻器本身存在的端子直接與PLC連接，屬于硬件連接的方式，可以充分發(fā)揮兩個設備共同的優(yōu)勢。目前連接方式主要有模擬量端子連接和數(shù)字量端子連接，主要區(qū)別在于PLC系統(tǒng)的特點及生產(chǎn)需要，模擬量端子并不算是真正意義上的端子，主要是利用PLC 的擴展板塊進行連接，而數(shù)字輸入端口是本身含有I/O 端子，對于變頻器的頻率調(diào)節(jié)更為準確。

2.3 變頻器中PLC自動控制技術的應用

目前，利用PLC對變頻器進行變頻控制的技術已經(jīng)日趨成熟，隨著電力電子技術和控制技術的不斷發(fā)展，交流電機變頻調(diào)速技術已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)領域。利用PLC 與變頻器對交流電機進行調(diào)速，即將PLC 與變頻器通過PROFIBUS-DP 連接構(gòu)成網(wǎng)絡，通過軟件進行人機交互，在變頻器中設置不同的輸出頻率，通過PLC編程進行變頻器的輸出頻率控制，從而達到控制交流電機轉(zhuǎn)速的目的。工作人員只需在PLC 人機界面上進行操作即可實現(xiàn)電動機的方向及轉(zhuǎn)速控制，并且還可以通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)電動機的實時監(jiān)控。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)4.0時代的來臨，PLC技術及變頻器技術在我國各行各業(yè)中將扮演越來越重要的角色。將PLC與變頻器結(jié)合起來，實現(xiàn)交流電機變頻調(diào)速的自動控制，有利于提高電機控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，對進一步提高生產(chǎn)效率具有重要意義。