基于PLC与变频器的节能控制系统应用

栾成宝

（大连市技师学院 辽宁省大连市 116021）

PLC（可编程逻辑控制器）和变频器是电气自动化中的核心技术，以PLC 与变频器为依托构建的控制系统，能够对电动机进行控制，从而达到节能降耗的目的。电动机作为工业自动化的重要设备之一，其能耗相对较高，节能潜力巨大，而想要从根本上降低电动机的能耗，就必须对其运行过程进行有效控制。为达到预期中的控制效果，可以对PLC 和变频器进行联合运用。下面就基于PLC与变频器的节能控制系统应用展开分析探讨。

1 PLC与变频器的选择及参数设置

1.1 PLC选型及I/O点数确定

1.1.1 PLC 选型

在PLC 选型之前，需确定电动节能控制系统对PLC 输入输出和通信端口的要求，根据具体要求分配I/O 地址，保证PLC 的输入继电器、输出继电器分别对应各个输入信号、各个输出信号，提高PLC 选型的适配性。PLC 系统主要包括变频器、电动机、触摸屏、检测电路等，其中变频器输入对应报警、故障，输出对应启停、故障清除；电动机输出对应电阻接触器、转子短路接触器、定子侧接触器；检测电路输入对应转子电压幅值、转子电流频率、定子电压、定子电流；触摸屏对应通信功能。所以，PLC 需具备数字输出点6 个，输入点4 个，模拟量输入点4 个，以及S485 通信2 路。为满足以上要求，建议选择西门子S7-200PLC，该PLC 具备以下功能：PID参数自定义；程序结构简单，可实现结构化编程；寻址方便，指令功能强大，能够对接多个设备接口，方便多个系统控制；人机操作界面丰富，可设计满足用户多种需求的触摸屏或显示屏操作界面[1]。

1.1.2 I/O 点数确定

I/O（输入点/输出点）是PLC 的基本参数，应当以汇总表作为依据，对I/O 点数进行合理确定。要给I/O 点留出一定的余量，并对制造成本予以充分考虑，当出现如下情况时，可适当增加I/O点的余量：控制对象存在不明确的要求；I/O点数无法进行完整统计；PLC 本身的扩展难度较大，而控制系统存在变动的可能；PLC 运行环境较为恶劣；不便于维修等。由于PLC 的I/O 没有固定的计算公式，所以应按照实际情况进行确定。

1.2 变频器选型及参数设置

1.2.1 变频器选型

选用西门子MM440 变频器，该变频器由微处理器控制三相交流电机调速，空滤输出采用绝缘栅双极型晶体管，可提升变频器运行的可靠性；MM440 采用组态灵活的模块化设计，接口为RS-485/232C，可满足用户自定义I/O 端子功能的需求，实现对电动机的多重保护；MM440 中配置FCL（快速电流限制）和FCC（磁通电流控制），可避免出现跳闸现象，提升了动态性能，能够在变频器低频运行时输出较大力矩[2]；MM440 的输出功率在0.75-90kW，能够适用于大功率、多变速的应用场合，其节能控制系统为的ECO，采用矢量控制方式达到延时释放机械制动、提高类负载功能、实现超前吸合控制的要求；MM440 支持监控设备连接，可对传动带系统运行进行监控，以避免生产线运行出现故障；MM440 可对PID 控制器进行参数自定义，在主/从控制方式上采用闭环转矩控制，能够同时驱动多机同轴运行；MM40 可对频率和电压进行分开控制，保证两者控制的独立性，单独对两者进行调整，以保证功率因素和转速达到节能要求。

图1：基于PLC 与变频器的电动机节能控制系统架构

图2：变频器输出波形相位匹配示意图

1.2.2 参数设置

变频器的相关参数设置是一项较为重要的工作，为确保设置参数合理，应当掌握设置步骤，具体如下：

（1）对变频器进行初始化，使其所有的参数全部恢复为出厂的设定值，即P0010=30,P0970=1,P0003=3。

（2）令参数P0304 为电动机的额定电压；P0305 为额定电流；P0307 为额定功率；P0310 为额定频率；P0311 为额定转速。在对上述参数进行设置时，不可按实际的电动机进行设置，这是因为这些参数是后续变频器需要接到电动机定子侧上的参数，若是变频器需要在电动机的转子侧上应用，则应当根据实际数值进行折算。

（3）令参数P0700 为远程控制方式，将基准频率设定为P2000=1-650Hz，即I/O 输入的最大频率。变频器启动进入正常运行状态后，无法对输出电压值进行直接调节，为达调节目标，应进行二进制互联操作，即将输出电压值的参数设定为2889.0。当所有参数全部设置好以后，变频器的性能便可达到电动机节能控制系统的要求。

2 基于PLC与变频器的节能控制系统应用

2.1 电动机节能控制系统结构设计

根据PLC 和变频器的参数设计电动机的节能控制系统。节能控制系统利用PLC 对变频器、检测电路和切换电路进行控制，以达到节能运行目的；触摸屏提供人机交互界面，对系统运行参数和电机状态进行可视化呈现，方便用户在界面上操控系统，监视系统运行状态；检测电路检测定子侧电压、电流功率因数、电机转子电流相位、电压幅值、电机转速、电流频率等数据，将检测数据信息传输到PLC 中，由PLC 对数据进行统计分析，启动节能控制措施；电机起动器主要用于切换电路，实现异步与双馈之间的转换，以保证电机处于平稳的工作模式下。在PLC 中写入节能算法，预先设置节能控制策略，在控制电机状态时通过变频器的参数变化来实现，可取得良好的电动机节能控制效果。基于PLC 和变频器的节能控制系统架构如图1所示。

2.2 主电路与控制电路

2.2.1 主电路

本次开发设计的节能控制系统的主电路由两条回路构成，即直流发电机回路、电动机控制回路，前者是后者的负载，后者的定子绕组与功率为50Hz 的工频电网相连接，转子绕组借助变频器进行供电，并馈入频率、相位以及幅值等，以此来对电动机的转速进行控制。节能控制系统主电路的关键元件包括电动机、直流发电机、调压器、变阻箱、定子与转子参数检测电路、交流接触器、变压器、开关、变频器、PLC 等。

2.2.2 控制电路

本次开发的节能控制系统的控制电路结构相对比较复杂，主要包括转速检测电路、转子相位检测电路、定子电压与电流检测电路、转子电压幅值检测电路、变频器及PLC 等等。其中PLC 是控制电路的控制器，通过对检测电路发送出来的信号进行接收，对电动机运行状态的参数进行分析。此时PLC 会依据接收到的参数，并按照相应的程序算法，对变频器输出和接触器线圈等进行控制，从而完成电动机运行状态的控制，达到节能降耗的目的。

2.3 起动控制电路

电动机转子和定子分别与变频器及工频电网连接，当电动机正常启动时，在非常短暂的时间内会出现较大的启动电流，基于这一前提下，无法通过直接启动的方法开启电动机。正义如此，电动机基本上都是通过间接启动的方法来开启。经过间接启动的电动机，可以按照实时检测到的转子绕组运行参数，对转子励磁电源的瞬态输出参数进行控制，由此可实现异步运行模式的平滑转换，在此基础上，电动机能够顺利完成启动。

2.3.1 变频器的瞬态特性

本次开发的系统中变频器是核心部分，采用的是西门子公司的MM440 变频器，这款变频器本身具备非常强大的参数设置功能，其中比较重要的几个参数如下：

2.3.1.1 P1120

该参数表示变频器在输出最大频率时需要耗用的时间，具体而言，就是变频器的输出从原本的静止状态，加速至最高频率的用时。需要指出的一点是，当斜坡的上升时间设定的过短时，变频器可能会出现跳闸的现象。

2.3.1.2 P1820

该参数表示影响变频器输出最大功率用时函数的斜率。

当按照控制需要对变频器的参数进行合理设定后，变频器启动过程中产生的相电压波形，经分压滤波电路处理后的情况如图2所示。

从图2 中能够清楚的看到，变频器在启动的瞬间会进入工作状态，并输出电压，输出达到基本稳定耗用的时间约为500ms，与馈电标准的要求相符。图2 中的t0，t1，t2，t3和t4分别代表不同的内容，依次为：转子电压波形正向过零点、过零点脉冲、PLC 程序、变频器启动、输出稳定波形的时刻。本次开发的节能控制系统能够在电动机转子侧电流频率已知的前提下，得出变频器输出给定频率的用时。由此可见，对变频器的参数进行合理设置，能够达到控制瞬态输出时间的目的，这样可使变频器的输出电压波形与转子侧的电流波形相匹配，从而使电动机完成平稳过渡，给启动控制提供了可靠保障。

2.3.2 电路设计

对于变频器而言，若是在输出合适的电流时，完成较为稳定的馈电，则要求控制系统能够检测出电动机处于异步运行模式下转子侧电流的相位。基于这一前提，可对节能控制系统启动控制电路进行设计。在实际设计的过程中，应当明确相位馈入点检测控制电路的工作原理，具体如下：引出电动机转子侧接线，与切换电路进行可靠连接，由PLC 负责控制切换电路，电动机处于异步模式下，过零点检测电路能够准确监测出波形的正向过零点；随后检测电路会在过零点的位置处产生出一个脉冲，并发送给PLC，作为触发信号，当PLC 检测到这个触发信号时，便会启动变频器；最后PLC会通过对切换电路的控制，使低通滤波器断开，避免检测电路受损，此时电动机的转子会与变频器相连接，实现稳定馈电。

2.4 变频器释放电路

在对变频器的容量进行释放时，降压是较为有效的方法之一。从本质的角上讲，变频器容量的释放应当在不改变容量的情况下完成，借助变频器本身的变压范围，对输出电流进行逐步提升，最终满足电动机控制系统的需要。在理想状态下，变压器的原边与副边之间的电压比与电流的反比相等，也就是说，采用降压的方法，能够使变频器的容量得到释放，据此可以设计出一个释放电路。具体如下：将变频器与变压器的原边相连接，电动机的转子与变压器的副边相连接，此时的变压器变比在电动机重载工况下，当功率因数为1 时，副边所需的电压和电流分别为13V 与9A，而变频器需要输出的电压与电流分别为39V 和3A，即变频器释放了大概3 倍左右的容量。在此要着重阐明的一点是，电动机的转子具有感应电压的特性，受到这个特性的影响。使得变频器输出的全部都是低频电压。鉴于此，本次开发的节能控制系统中，降压变压器应选用低频变压器，以此来满足变频器的需要。

2.5 节能效果

在风机、水泵类负载运行状态下，电动机存在着轻载时间长、负载变化性大的现象。当电机起动次数减少时，电动机即便是处于轻载状态也会产生电能消耗，导致电网功率因数减低，出现能源浪费问题。根据相关规定，功率因数若低于0.85-0.9，则要将其认定为无功功率，需缴纳无功功率电费。而电动机节能控制系统可显著提升轻载状态下的电机节能效果，通过计算结果显示，在轻载状态下电动机平均每年可节省30%以上的电费支出。

3 结论

综上所述，为解决电动机能耗过高的问题，本文基于PLC 和变频器开发出节能控制系统，重点对PLC和变频器的选型进行介绍，给出关键电路的设计方法，该系统的节能效果较好，具有良好的推广使用价值。未来一段时期，应当加大对PLC 和变频器的研究力度，对各方面性能进行逐步改进和完善，从而使其在节能控制中的作用得以充分发挥。