基于PLC 技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

張翠玲

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034）

變頻器屬于電氣設(shè)備的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，具有關(guān)鍵的作用，不僅可以對(duì)設(shè)備內(nèi)置的濾波模塊、逆變模塊、制動(dòng)單元模塊、驅(qū)動(dòng)單元模塊做出有效控制，同時(shí)還可以避免設(shè)備在常規(guī)工作狀態(tài)下發(fā)生過流現(xiàn)象、過壓現(xiàn)象、過載現(xiàn)象。在上述內(nèi)容中，變頻器核心功能在于可以對(duì)輸出電源進(jìn)行控制，合理調(diào)整系統(tǒng)電壓值以及頻率值，使其處于規(guī)范狀態(tài)下完成各自任務(wù)[1]。但是，對(duì)于部分大型設(shè)備而言，在其工作期間，設(shè)備自身運(yùn)行功率會(huì)存在因數(shù)不足的情況?；诖?，需要針對(duì)大型設(shè)備工作問題展開針對(duì)性研究，整理成功經(jīng)驗(yàn)，并給出基于PLC技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議，借助PLC 技術(shù)的雙線制運(yùn)行模式，達(dá)成對(duì)變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)目的，希望可以為同領(lǐng)域工作者提供合理參考作用。

1 以PLC技術(shù)為核心的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 變頻器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)分析

首先，以變頻器作為主要對(duì)象，同時(shí)將節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)為核心，對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性做出明確要求，并為此提供可靠保障。設(shè)計(jì)方案提出：使用一種雙線制類型的PLC 技術(shù)，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)出主、備兩套不同系統(tǒng)但是同一使用規(guī)格的專用控制系統(tǒng)線路，以此為基礎(chǔ)，可以保證控制變頻器運(yùn)行的最終節(jié)能水平，在提升變頻器控制系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性的同時(shí)，提升節(jié)能效果，同時(shí)保證控制變頻器在工作過程中的整體安全性，并保證后續(xù)階段的運(yùn)行可靠性[2]。其中，系統(tǒng)配置的具體信息見表1。

表1： 雙線制PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)配置表

1.2 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

保證系統(tǒng)現(xiàn)階段的所有控制流程穩(wěn)定性，并保證單向循環(huán)效果，不可受到其他因素的影響。本次設(shè)計(jì)方案具體內(nèi)容見圖1。

主令零位設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為KA1-3 指令，該指令屬于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心控制閘裝置，當(dāng)主令手柄位于零位時(shí)，則系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，對(duì)應(yīng)的墊片會(huì)遮擋光電開關(guān)裝置，在發(fā)出指令信號(hào)直至信號(hào)再次回到繼電器的以后，系統(tǒng)才會(huì)正式接通回路，隨后才可以正式啟動(dòng)變頻器裝置[4]。在此期間，如果安全回路中的任何一點(diǎn)并未處于接通狀態(tài)，均會(huì)對(duì)后續(xù)的變頻器啟動(dòng)指令動(dòng)作造成直接影響，不僅會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性形成阻礙作用，同時(shí)還會(huì)對(duì)最終反應(yīng)效率造成一定影響。

在變頻器處于休止時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)制動(dòng)手柄裝置會(huì)停留在緊閘位，此時(shí)的繼電器裝置會(huì)完成閉合指令；在主令手柄處于零位點(diǎn)的狀態(tài)下，控制系統(tǒng)會(huì)與安全回路保持連接，并且還會(huì)將制動(dòng)手柄按指令要求劃撥至系統(tǒng)緊閘位，最后，控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)自身的變頻器裝置。但是，當(dāng)控制系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)或欠壓狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)存在異常情況的繼電器裝置進(jìn)行隔離處理，對(duì)應(yīng)的安全回路會(huì)立即斷開連接，對(duì)應(yīng)的主控制系統(tǒng)能夠順利進(jìn)入到預(yù)設(shè)好的一級(jí)或者二級(jí)緊急制動(dòng)模式，保證運(yùn)行效果。

在圖1 內(nèi)容中，變頻故障問題為：KA31-3 工作發(fā)生異常后，系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間斷開安全回路，同時(shí)還會(huì)在第一時(shí)間切斷系統(tǒng)的安全回路，通過這種方式以為后續(xù)環(huán)節(jié)的變頻運(yùn)行提供安全性保障作用。在上述內(nèi)容中，可設(shè)定專門的運(yùn)動(dòng)控制單元，將其與PLC 進(jìn)行集成作用，在這樣的情況下，使用代碼即可完成對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的控制[5]。

圖1： 系統(tǒng)回路示意圖

PLC 技術(shù)持續(xù)發(fā)展的過程中，自身的可靠性也在不斷提升，并且技術(shù)優(yōu)越性能受到大量企業(yè)的高度關(guān)注，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用PLC 技術(shù)的企業(yè)數(shù)量正變得越來越多。以現(xiàn)有資料進(jìn)行分析，PLC 技術(shù)在初始階段的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的順序控制，保證順序控制工作指令，以此為基礎(chǔ)，為每一項(xiàng)生產(chǎn)工序提供生產(chǎn)穩(wěn)定性保障，按照要求完成相應(yīng)指令，以此保證工作效率。因此，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是可以充分發(fā)揮出PLC 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。

1.3 系統(tǒng)觸摸屏的最終選擇

系統(tǒng)觸摸屏可以為后續(xù)環(huán)節(jié)的變頻器管理工作人員提供輔助作用，工作人員能夠隨時(shí)觀察變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各部分參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控，此時(shí)系統(tǒng)各部分的實(shí)際能耗水平均可以清晰的展現(xiàn)在顯示設(shè)備中[6]。在這樣的情況下，工作人員按照實(shí)際需求選擇觸摸屏，本次屏幕選用F940GOT-SWD-C 觸摸屏，在與外界連接方面具有便利性優(yōu)勢(shì)，并且與主機(jī)PLC 之間連接通信便捷度更高，再加上自身RS-422 接口，能夠和CPU 接口保持有效連接，操作方式十分簡(jiǎn)單。即使處于在背光條件下，該顯示器也可清晰展現(xiàn)出屏幕中的信息內(nèi)容。除上述內(nèi)容外，此型號(hào)觸摸屏內(nèi)專門設(shè)有FX-10P 模塊，可為變頻器系統(tǒng)提供功能設(shè)置服務(wù)、刪除指令服務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)控等綜合性操作功能。

2 變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

制定觸屏界面：

在現(xiàn)有系統(tǒng)模型信息被成功寫入到系統(tǒng)中以后，將其與控制系統(tǒng)進(jìn)行直接連接，然后再將其添加到需要完成指令任務(wù)的場(chǎng)景內(nèi)，在這樣的情況下，系統(tǒng)模型本身處于最低標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行功率狀態(tài)。在完成上述操作后，首先，需要將已經(jīng)選中的指令動(dòng)作模型合理性為依據(jù)，其次，還要將three.js 系統(tǒng)中的操作功能進(jìn)行準(zhǔn)確判定，由此產(chǎn)生的最終Raycaster 分類即可實(shí)現(xiàn)拾取鼠標(biāo)指針指令的控制效果，在能夠保證最終覆蓋效果以后，還需要確保模型對(duì)應(yīng)的對(duì)象能夠完成動(dòng)作指令。

基金項(xiàng)目：湖南省教改項(xiàng)目“認(rèn)知學(xué)徒制在應(yīng)用心理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用和研究”（2013）；湖南中醫(yī)藥大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目“基于隨機(jī)通達(dá)教學(xué)理論的應(yīng)用心理學(xué)教學(xué)改革研究與應(yīng)用”（2015）

該觸屏操作界面可以對(duì)系統(tǒng)中的變頻器功能進(jìn)行直接操控，并且對(duì)最終輸出頻率進(jìn)行直接設(shè)定，達(dá)到改變變頻器實(shí)際運(yùn)行頻率的效果。此后，按照變頻器實(shí)際要求，在保證安全的前提下，可設(shè)置專門的輸出頻率標(biāo)準(zhǔn)，按照規(guī)定的上、下限頻率完成板塊標(biāo)定任務(wù)，在完成板塊設(shè)定后，不僅可以控制變頻器裝置在具體運(yùn)行期間的能耗問題水平，同時(shí)還能夠更加有效的保證系統(tǒng)安全性，使其可以在控制變頻器節(jié)能方面發(fā)揮出有效作用。此外，系統(tǒng)中的各種能耗問題均可借助系統(tǒng)處理方式對(duì)實(shí)際能源損耗情況做出了解，同時(shí)還能夠以本次制定的系統(tǒng)觸屏界面中找到相應(yīng)操作指令[7]。除上述內(nèi)容外，PLC 技術(shù)還在其他方面有著更加深入的應(yīng)用，控制技術(shù)的整體使用效果得到大幅度提高，這也為后續(xù)階段的活動(dòng)積累了良好的經(jīng)驗(yàn)，奠定了十分優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，再加上綜合性能的不斷提高，也為相容性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供更多可發(fā)展的技術(shù)空間。常規(guī)電力系統(tǒng)需要保證自身材料能夠順利通過電流。但是，部分施工單位在完成導(dǎo)體連接任務(wù)的過程中，會(huì)將銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)線作為主材料。對(duì)于這兩種材料的導(dǎo)線而言，在長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的“氧化”問題，在經(jīng)過一段年時(shí)間的使用后，電氣設(shè)備本身會(huì)被逐漸腐蝕。針對(duì)上述情況，需要專業(yè)技術(shù)人員在第一時(shí)間對(duì)所有電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢查處理、維修處理，防止設(shè)備出現(xiàn)自燃等嚴(yán)重問題?；诖?，以銅或鋁材料導(dǎo)線為導(dǎo)體主要連接方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要技術(shù)人員保證系統(tǒng)的緊密性，防止由此產(chǎn)生更為嚴(yán)重的氧化問題，尤其是在使用PLC 技術(shù)后，電力系統(tǒng)可以維持更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，設(shè)備工作過程中的實(shí)際流量值、揚(yáng)程值、軸功率與設(shè)備轉(zhuǎn)速幾項(xiàng)關(guān)鍵信息之間存在下述公式關(guān)系：

在上述計(jì)算公式中，QHP 對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，可以使用n(r/mim)表示，此時(shí)流量顯示為(nf/h)、設(shè)備揚(yáng)程(m)和軸功率(kW)同樣可得出準(zhǔn)確計(jì)算數(shù)值；QnHnRn則對(duì)應(yīng)的是水泵設(shè)備的實(shí)際轉(zhuǎn)速，此時(shí)可顯示為：n1(r/min)條件下的實(shí)時(shí)流量，即(m3/h)、揚(yáng)程(m)以及軸功率(kW)。

以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，可以了解到流量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：一次方程狀態(tài)下呈正比；泵的實(shí)際揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速二次方之間成正比，但是，設(shè)備實(shí)際功耗卻與實(shí)際轉(zhuǎn)速的三次方之間成正比關(guān)系。基于此，如果控制系統(tǒng)本身而定實(shí)際負(fù)荷率正式下降到標(biāo)準(zhǔn)值的70%以后，則此時(shí)的設(shè)備作業(yè)能耗水平與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)水平均等同于滿負(fù)荷狀態(tài)的70%，即Q1=0.7Q。

由式Q/Q1=n/n1可知，在使用變速調(diào)節(jié)方式對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制時(shí)，設(shè)備的實(shí)際轉(zhuǎn)速公式為：n1=n×Q/Q=0.7n。

由 式P/P1=(n/n1)3可 知，當(dāng)P=P×(n1/n= P×0.7=0 343P，即此時(shí)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際功率降為額定功率標(biāo)準(zhǔn)的34.3%，由此結(jié)果可知，新型調(diào)節(jié)方式而定設(shè)計(jì)方案具有更為顯著的節(jié)能效果。

借助降低轉(zhuǎn)速的方式，可以達(dá)到降低流量的效果，并且還能夠進(jìn)一步降低軸功率，進(jìn)而達(dá)成節(jié)約能量能耗的目的，實(shí)現(xiàn)最終的控制目標(biāo)。但是，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的轉(zhuǎn)速控制方式中，比較常用的方法是利用變頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樽冾l器設(shè)備可以根據(jù)冷凍系統(tǒng)設(shè)備和降低設(shè)備實(shí)際負(fù)載的實(shí)時(shí)變化情況做出分析，并及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)電機(jī)設(shè)備的工作轉(zhuǎn)速，使其可以在滿足中央控制系統(tǒng)正常工作的前提下，使為設(shè)備進(jìn)行降溫處理或者對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際作業(yè)功率作出及時(shí)的調(diào)節(jié)，借此實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，即系統(tǒng)電機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速大幅度下降，則電機(jī)設(shè)備從電網(wǎng)系統(tǒng)中吸收的電能則會(huì)大幅度減少。在上述內(nèi)容中，起動(dòng)設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊作用和停止工作狀態(tài)下的能源消耗水平會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降。在上述內(nèi)容外，如果系統(tǒng)設(shè)備使用變頻控制技術(shù)，則系統(tǒng)設(shè)備在起動(dòng)過程中和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中并不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，同時(shí)還能夠進(jìn)一步避免能耗結(jié)局問題發(fā)生，所以，可以大幅度延長(zhǎng)設(shè)備、接觸器設(shè)備和機(jī)械部件、管道等部件的總體使用壽命。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)方案中，單片機(jī)(PLC)系統(tǒng)可以對(duì)寄存器進(jìn)行有效控制，控制方式是由發(fā)送端發(fā)送操作信息指令，由接收端串行口進(jìn)行信息接收并執(zhí)行指令。這樣的寄存器運(yùn)行方式設(shè)置可以發(fā)揮通信效果。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體情況采用系統(tǒng)化處理方式，對(duì)4 種通信方式進(jìn)行同一性質(zhì)的管理，達(dá)到統(tǒng)籌控制的效果[2]。通常情況下，單片機(jī)具有串行口，其接口為八位異步接口，在使用這種類型接口時(shí)，可以有效繼承前系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)操作模式，進(jìn)而達(dá)到將8 位數(shù)據(jù)共同傳輸?shù)哪康?。在此前流程中，任何一幀的?shù)據(jù)信息的基本結(jié)構(gòu)均處于完全相同的狀態(tài)，分別包括起始位信息與終止位信息。除上述內(nèi)容外，還能夠再次得到8 個(gè)數(shù)據(jù)位，在該種操作背景下，可將CPU 晶振水平控制在11.0592Mhz 狀態(tài)，并將波特率控制在9600bps 狀態(tài)，之后便可對(duì)寄存器狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，還可以對(duì)定時(shí)器的實(shí)際溢出率進(jìn)行充分了解，得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)用效果顯著，通信效果良好。因此，需要在完成系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)后，為后續(xù)運(yùn)行提供必要的保障作用。在此之后，關(guān)于系統(tǒng)電壓波形變化問題或者出現(xiàn)電阻負(fù)載問題后，完成相應(yīng)的檢測(cè)對(duì)比任務(wù)，在這樣的條件下，能夠?qū)χ飨到y(tǒng)內(nèi)的所有功能模塊實(shí)際工作狀態(tài)做出直接檢測(cè)，并對(duì)模塊性能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

3.2 系統(tǒng)過程中的直流母線電壓波形變化對(duì)比分析

系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)期間，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)特定環(huán)境后，需要對(duì)不同的系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行集中調(diào)節(jié)并進(jìn)行最終測(cè)試，以實(shí)驗(yàn)要求為基礎(chǔ)，選出控制變頻器。當(dāng)系統(tǒng)正式啟動(dòng)后，系統(tǒng)變頻器工作狀態(tài)下的功率測(cè)試值在700V 的標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)直流母線電壓會(huì)呈現(xiàn)出一定的波形變化，在使用系統(tǒng)對(duì)變頻器節(jié)能進(jìn)行控制的過程中，會(huì)產(chǎn)生一定程度的直流母線電壓波形波動(dòng)，并且波動(dòng)變得越發(fā)劇烈，此現(xiàn)象可證明系統(tǒng)正值不平穩(wěn)工作狀態(tài)，并且系統(tǒng)本身同樣在受到安全性影響，無法得到足夠有效的保障。由此可知，在控制變頻器運(yùn)行的能耗水平時(shí)，需要系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)還需要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)變頻器設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，才能夠達(dá)到降低能耗的最終目標(biāo)。

3.3 系統(tǒng)工作狀態(tài)下的電阻負(fù)載對(duì)比分析

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)條件后，系統(tǒng)變頻器運(yùn)行的實(shí)際電壓值標(biāo)準(zhǔn)為：700V，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際輸出功率水平為：10kW，以此為基礎(chǔ)，可對(duì)最終電阻負(fù)載變化信息做出充分了解。在此之后，可以更加至關(guān)的了解到，即使存在系統(tǒng)電阻負(fù)載問題，但是，此時(shí)的系統(tǒng)電阻負(fù)載增加相對(duì)平穩(wěn)，此狀態(tài)下的變頻器調(diào)節(jié)過程中，不會(huì)出現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電阻負(fù)載值造成明顯影響的情況。所以，本次設(shè)計(jì)方案中的變頻器在實(shí)際使用過程中，需要對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)做出全面調(diào)節(jié)，并對(duì)變頻器纏身的能耗問題做出明確控制，確保系統(tǒng)不會(huì)受到其他方面造成的不良影響，保證系統(tǒng)節(jié)能效果。

4 結(jié)語

綜上所述，借助PLC技術(shù)在雙線制功能方面的優(yōu)勢(shì)，大幅度提升系統(tǒng)的編制節(jié)能效果，確?？梢酝瓿勺冾l器節(jié)能控制系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)任務(wù)，在對(duì)最終仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開針對(duì)性分析后可了解到，本次方案采用的變頻器裝置，能夠在正式運(yùn)行過程中為直流母線電壓波形提供持續(xù)的平穩(wěn)性保障作用，并在后續(xù)階段的變頻器能耗控制方面同樣具有顯著優(yōu)勢(shì)。除上述內(nèi)容外，系統(tǒng)實(shí)際電阻負(fù)載值較低，同樣可以為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行目標(biāo)提供安全性和穩(wěn)定性保障。