基于PLC技术的变频器自动控制研究

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　　摘  要： 研究基于PLC技术的变频器自动控制，由电源、编程器、中央处理单元、存储器、输入输出单元和外部设备组成的PLC接收变频器发出指令后分析指令，并利用编程后指令控制变频器。基于变频调速基本原理，具体分析变频器在工频范围调节大于电源频率、工频范围调节小于电源频率、转差频率控制三种情况下变频调速控制方程，利用控制方程实现基于PLC技术的变频器不同工作状态时的自动控制。实验结果表明，将该方法应用于某电动修井机恒功率自动控制系统中，可有效实现系统的变频自动控制，采用该方法控制的修井机恒功率自动控制系统在10天变频工作状态下平均能耗与平均用电量仅为181 J以及1 181 kW·h。
　　关键词： 变频自动控制; PLC技术; 变频器控制; 指令编程; 调速控制; 电动修井机
　　中图分类号： TN876?34; TM921.51                  文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）17?0092?04
　　Abstract： The frequency converter automatic control based on PLC technology is researched in this paper. The PLC composed of the power supply， programmer， CPU （central processing unit）， memory， input/output unit and external equipment， receives the instructions sent out by frequency converter， and then analyzes them. The programmed instruction is used to control the frequency converter. The governing equation of variable frequency speed regulation is analyzed according to the basic principles of variable frequency control speed when the frequency converter is used to adjust the supply frequency being larger than the power frequency in power frequency range， the supply frequency being smaller than the power frequency in power frequency range and the slip frequency control. The governing equation is used to realize the frequency converter automatic control （in different working states） based on PLC technology. The experimental results show that the frequency conversion automatic control of the system can be effectively achieved when the proposed method is used in the constant power automatic control system for a certain electric workover rig. The average energy consumption and average electricity consumption of the constant power automatic control system of the workover rig controlled with this method are only 181 J and 1 181 kW·h under the 10?day frequency conversion working condition.
　　Keywords： variable frequency automatic control; PLC technology; frequency converter control; instruction programming; speed regulation control; electric workover rig
　　0  引  言
　　PLC自动控制技术又名可编程逻辑控制器，PLC技术可将程序语言利用编程转化为工作指令，通过编程实现各种指令高效运作，具有稳定性强、不容易被外界干扰、体积小的优势，可有效降低人工使用率，被广泛应用于各种工业生产领域中，使工业生产控制实现自动化，加快工业生产效率且保证工业生产精准性[1?2]。
　　变频器是指将固定频率的工频电源转换至不同频率交流电源的设备，通过变频器可有效实现电动机变速运行，变频器主要包括转矩控制、适量控制、协调控制、转差频率控制等多种方式。变频器利用高性能处理器实现电路控制[3]，通过A/D或D/A接口接收工作系统发出的信号，利用相应处理实现正反转操作控制、启动停止等信号处理[4]。
　　本文研究基于PLC技术的变频器自动控制原理，PLC自动控制技术扫描周期为几毫秒到几十毫秒不等，实时性强，有利于变频器灵活控制。变频器接收PLC输入的模拟信号，利用A/D转换装置将模拟信号转换为数字信号后发送至微处理器，微处理器有效处理后发送至变频器，实现电动机变频自动控制。 　　1  变频器自动控制研究
　　PLC接收变频器发出指令后分析指令，并将指令编程，将编程后指令发送至变频器实现电动机整体运行和自动控制。PLC技术全过程可利用显示器实时显示与处理，系统遇见故障时，可有效报警，提升工作效率[5]。
　　1.1  PLC技术
　　PLC技术利用微处理器作为处理核心，主要作用是实现工作系统数字控制[6]，通过基于PLC技术的变频器自动控制实现电动机不同需要输出频率。PLC主要包括电源、编程器、中央处理单元、存储器、输入输出单元和外部设备。PLC内部组成结构图如图1所示。
　　1） 电源。PLC技术需要稳定的电源实现供电，PLC的输入输出模块以及中央处理器需要直流供电电源实现供电，稳定的供电电源可保证PLC正常运行。
　　2） 编程器。利用编程器实现PLC技术系统程序编辑，PLC技术的编程器具有人机对话窗口[7]，调试编程器中程序实现控制PLC。
　　3） 中央处理单元。PLC技术利用中央处理单元实现数据整理并下发指令至变频器，中央处理单元是PLC技术的核心部分，通过中央处理单元实现控制器与运算器信号控制和信号处理。中央处理单元是协调PLC有效运行的重要部分，PLC性能由中央处理单元决定[8]，中央处理单元运行速度直接决定变频器控制效率。
　　4） 存储器。PLC利用存储器实现信息存储，存储数据包括PLC接收数据、变量和内部程序等，PLC需要存储大量内容，实现变频器自动控制操作[9]，PLC的系统程序需存储于系统程序存储器。
　　5） 输入输出单元。PLC利用输入输出单元实现外部通信。PLC运行过程中，输入模块接收信号后发送至中央处理单元，中央处理单元利用处理后模拟信号与开关信号实现变频器自动控制。PLC接收信号以及控制信号输出均需要利用输入输出单元实现。
　　6） 外部设备。PLC需要与计算器、打印机、图形监控系统等外部设备连接[10]，利用外部接口实现外部设备与可编程控制器连接与控制。
　　1.2  变频器自动控制
　　1.2.1  變频器调速基本原理
　　交流电机具有价格低、节能和体积小的优势，已渐渐取代直流电机应用于各种工业生产中，交流电机调速具有节能效果明显、控制精度高的优势[11]。
　　交流异步电机转子转速公式如下：
　　式中：[g1]与[δ1]分别表示定子电源频率以及相应角频率;[p]与[d]分别表示异步电机磁极对数以及电动机转差率。
　　电动机转差率公式如下：
　　式中：[md]与[δ]分别表示异步电机同步转速以及固有角频率。
　　异步电机同步转速公式如下：
　　通过以上公式可以看出，异步电机转子转速以及同步转速在异步电机定子绕组电源频率发生变化时随之改变。交流异步电动机同步转速大于异步电机转子转速[12]，电动机同步转速与转速变化具有相关性。交流异步电动机同步转速与实际转速在频率降低时随之降低;交流异步电动机同步转速在频率增加时大于实际转速。电动机转速利用电源频率大小变化而改变的方法为变频调速，变频器的主要目的是改变电源频率实现电动机转速改变。
　　1.2.2  变频器调速基本控制方程
　　由上文可知，利用电源频率可有效改变电动机转速。实际应用中由于仅改变电源频率，电动机其他物理特性随之改变[13]，影响电动机机械特性以及转差率，电机转速仅改变电源频率，获取的最终转速并不正常，交流电动机变频调速包括以下三种状态。
　　1） 工频范围调节大于电源频率。交流电动机定子绕组感应电动势为：
　　式中：[W]与[RW1]分别表示绕组系数以及电机定子绕组匝数常数;[Γ1]表示交流电机各级磁通。
　　定子绕组感应电动势与定子电压间的关系如下：
　　式中：[Oe]与[Cm]分别表示异步电动机电磁转矩以及转矩常数;[I2]与[cos φ]分别表示转子电流转换至定子电流的有效值以及转子电路各相功率因数;[Γ1]表示异步交流电动机磁通。
　　由以上公式可知，异步电动机电磁转矩随磁通增加而增加，随磁通减小而减小。电动机电源频率与定子电压同时增加或降低时，定子电压与电源频率之比保持不变[14]，电动机磁通与电子转矩大小并未发生变化，电动机工作状态未发生改变，以上过程为恒磁通调速。
　　2） 工频范围调节小于电源频率。交流异步电动机工作工程中，电源电压需时刻保持小于电动机的额定电压，电源频率在定子电压并未改变而有所增加时，定子电压与电源频率之比降低，电动机磁通与电磁转矩降低，电动机实际转速由于电源频率增加而增加。电动机实际工作过程中，电动机功率与电磁转矩和角速度关系如下：
　　通过以上过程可知，电动机功率与角速度以及电磁转矩成正相关性，其中角速度公式如下：
　　为保持交流电动机功率不变，电动机调速过程中利用转矩与频率改变，实现电动机调速，以上过程为恒功率调速。
　　3） 转差频率控制。三相异步电动机转差率[d]在稳定运行状态时极小，电动机磁通大小可通过调节定子电流使其保持不变[15]，即异步电动机的电磁转矩增加使转差角频率增加。三项异步电动机电磁转矩利用改变转差角频率而调节的过程为转差频率控制方程。
　　2  仿真实验
　　为检测本文研究的基于PLC技术的变频器自动控制有效性，将其应用于某电动修井机恒功率自动控制系统中。该系统的主电动机选取三相交流多极感应电动机，通过PLC技术和变频器控制三相感应电动机，依据负载大小改变转速实现电动机自动调速。实验所用PLC变频控制柜实物图如图2所示。
　　实验选取西门子PLC变频控制柜，其中包含TD500C西门子显示屏，35 kW西门子V20变频器1台，额定电流与额定频率分别为35 A以及60 Hz，额定转速为1 100 r/min的三相交流感应电动机1台，导线、开关、通信线缆等辅助元件若干。连接导线、接通电源后，利用制动机对三相交流电动机施加额定负载，对PLC下达正转指令，使三相交流电动机在额定负载下启动。设定电动机小转速运行一段时间后，电动机稳定运行，直至自动加速至与负载所匹配的转速。统计实验过程中交流电动机电流与运行频率变化情况，自动调速控制过程中电动机电流与时间变化情况如图3所示。自动调速控制过程中电动机频率与时间变化情况如图4所示。通过图3与图4实验结果可以看出，采用本文方法自动控制的电动修井机恒功率自动控制系统运行稳定，电动机运行过程中的频率与电流在短时间波动后达到稳定，验证了本文方法具有较好的自动控制效果。 　　设置电动修井机恒功率自动控制系统的负载重量为30 t，采用本文方法控制系统运行，实验过程为带载起升、下降、停止、自动调速，统计不同速度时系统运行情况，统计结果如表1所示。通过表1实验结果可以看出，采用本文方法自动控制可有效选取运行频率。相同负载下，不同机械档位时运行频率与档位传动比例关系相同，且自动调速状态下未发生超载情况，本文方法依据负载可准确确定运行状态，保护系统安全运行。
　　以上实验结果说明，将本文方法应用于修井机恒功率自动控制系统中，可有效实现依据负载变换自动控制恒定功率，并且调速平滑性较好，未出现明显震荡情况。
　　统计采用PLC技术的变频器自动控制修井机系统工作10天内系统每天的能耗变化情况，统计结果如表2所示。通过表2实验结果可以看出：采用PLC技术的变频器自动控制方法的修井机系统平均能耗为181 J;原有系统自动控制方法的修井机系统平均能耗为634 J。采用PLC技术的变频器自动控制方法的修井机系统在变频工作状态下的能耗明显小于原有系统自动控制方法在工频工作状态下的能耗，验证了本文方法节约能耗的有效性。
　　基于PLC技术的变频器自动控制方法应用于电动修井机系统中，电机由以往仅在工频状态下工作的单一模式改变为变频工作模式，变频器依据系统所需工作模式，利用PLC技术控制电机工作于不同转速下，调整电动修井机系统工作状态，提升系统平稳性，降低损耗，有效延长系统各设备使用期限。
　　统计采用PLC技术的变频器自动控制修井机系统，工作10天内系统每天的用电量变化情况，统计结果如表3所示。
　　通過表3实验结果可以看出：采用PLC技术的变频器自动控制的修井机系统平均用电量为1 181 kW?h;原有系统自动控制方法的修井机系统平均用电量为1 684 kW?h。采用PLC技术的变频器自动控制方法的修井机系统变频工作状态下用电量明显小于工频工作状态用电量，验证了本文方法具有良好的节能环保性能。
　　3  结  语
　　本文将PLC技术与变频器相结合，并应用于电动修井机恒功率自动控制系统中，检测该方法自动控制的有效性。实验结果验证该方法可有效实现电动修井机恒功率自动控制系统的自动控制，并具有能耗低、系统平稳的优势。PLC技术与变频器相结合，可改变传统的电动机仅能工作于工频状态，有效弥补了传统控制技术的缺陷，促进了变频技术的发展。
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