PLC 变频调速技术在机电设备中的运用研究

杨 洁 赵海龙

（1.呼伦贝尔职业技术学院，呼伦贝尔 021000；2.内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司，呼伦贝尔 021000）

现代社会各行各业的生产都离不开机电设备。随着工业4.0 时代工业改革浪潮的兴起，机电设备的智能化改造成为各企业提升其生产制造水平的重要路径。变频调速技术的应用，证实了变频调速在机械传动体系中的功能和价值。在变频调速的无级调速、消除机械冲力、保护机电设备功能、减少维护成本、提升节电效果以及提升性能等优势基础上，进一步联合了PLC 编程技术，形成了基于PLC 可编制控制程序控制的变频调速技术，极大地提升了机电设备中的智能化应用水平。

1 PLC 变频调速技术

PLC 变频调速技术由两部分构成，一部分是PLC 可编程控制器，另一部分是变频器。PLC 变频调速技术的应用不是一种直接的单纯技术的应用，而是一种应用方案。针对不同的机电设备，应用PLC 变频调速技术时需要以实际的机电设备为应用对象，设置PLC 变频调速技术应用程序，安装变频器，确保PLC 变频调速技术的匹配性[1]。

2 PLC 变频调速技术的优势

根据近年来PLC 变频调速技术在机电设备中的运用可知，它在机电设备层面具有较大的比较优势，包括智能控制优势、节能优势以及简化机构优势等。例如，PLC 变频调速技术在风机设备方面具有一定的节能优势；在供水设备方面，它具有智能控制优势；在绵纺类设备中，它具有变频调速的综合优势，包括无级调速、节能、智能控制、降低成本以及提高性能等。PLC 变频调速技术通过PLC 克服了传统机电控制方面的非稳定性，提高了可靠性，增强了抗干扰能力，并且在数据化PID 调节的情况下，使多路调节更加便利。尤其是PLC 变频调速技术与机电设备信息管理系统的通信联动，将原来的物质生产效率单一目标转换到了综合效益方面，有利于提升机电设备企业各方面的生产率[2]。

3 PLC 变频调速在机电设备中的运用分析

机电设备若处于低负荷运行工况下，会使电机产生“大马拉小马”的现象，严重降低了机电设备的工作效率。同时，机电设备在使用过程中，本身存在机械故障、电气故障以及运行故障等风险。尤其是当整个机电设备系统稳定性相对较差的条件下，它的维修成本和管理成本等均会上升。这既不利于发挥机电设备的性能优势，也很难通过提升机电设备应用效率来扩大企业生产。因此，有必要在机电设备中运用PLC 变频调速技术来解决此类问题。

3.1 变频器结构分析和类型选择

在应用PLC 变频调速技术之前，需要做好变频器结构分析和类型选择工作。具体而言，变频器包括交-直变频器和交-交变频器两种类型。应用交-直变频器可以借助整流器和逆变器等配套性组件，将工频交流电转化为可控交流电。与交-直变频器类型相比，交-交变频器类型可以直接由工频交流电变成可控交流电。例如，矿井中经常应用的通风系统与风机设备，可以根据其设备类型选用较为合适的变频器类型。假定选择MM430 型变频器（德国西门子公司生产），则可为PLC 变频调速技术方案的设计提供过压、过热、过载以及防失速等比较优势[3]。当前该变频器能够进行二进制编程，简单易操作，可以通过布拉尔关系式直接实现机电设备的数字、通信数字编程。输入与输出编程后，它能够发挥机电设备的性能优势。

3.2 PLC 配置及其应用分析

PLC 变频调速技术在机电设备中的运用中，不仅要完成变频器的选择，还需要通过选择与应用目标相匹配的PLC 进行具体应用。PLC 是一种可编程控制器，包括输入电源、I/O 接口、存储器以及中央处理器（Central Processing Unit，CPU）等元件。中央处理器作为PLC 的核心构成，其中又包括运算器、控制器以及其他元件，旨在通过此类元件的连接实现数据的接收、存储、控制以及各类故障的诊断处理[4]。I/O 接口的作用在于接收和发送数据，属于接口组件。存储器能够存储所有的状态信息。从应用方面分析，PLC 的应用需要先经过试验验证，再选用合适的可编程控制器。例如，根据试验分析结果，选择S7-200系列PLC 用于矿井通风机电设备，并根据它的性能与优势，与上述MM430 变频器进行匹配。该系统的PLC 成本低、可靠性强、结构紧凑以及通信功能好，且采用的CPU226中央处理器组件与同类型的CPU224 相比，存储能力和运算速度等性能提升了近30%，同时具有在线连接编程或远程编程功能。从PLC 变频调速技术的功能实现方面分析，通信监视变频器方式、逻辑组合方式以及模拟量控制方式均可以使用。以风机设备为例，若采用MM430 变频器和S7-200 系列PLC，那么根据其实际需求和控制要求，应选择通信距离较短的模拟量控制方式。

3.3 PLC 变频调速系统设计分析

从原理方面看，PLC 变频调速系统是一个自动闭环控制系统，因此只需先将各类器件进行联结，再通过运行程序即可自动工作。例如，当机电设备负荷较低时，可以关闭高负荷时的开关，将机电设备的电机运行速度调节到与负荷相一致的转速，使机电设备电机与实际的动力之间达到均衡，进而化解“大马拉小马”的问题。系统设计主要以PLC 控制程序为中心，通过将它与设备中的变速器进行通信关联，实现变频调速控制。

风机设备与通风系统的主要作用是调节工作环境中的瓦斯量。实际的系统设计时，需要先分析矿井的实际情况，再应用PLC 变频调速技术，使其通风机的调速满足其实际需求。根据《煤矿安全规程》要求，瓦斯浓度在1.5%以上（设备离开关控制位置20m 范围内）时需要切断电源。因此，根据复杂条件下的需求，选择模糊控制法，先划分出瓦斯所在区域，再根据不同的区域，用变频器进行供电电源频率模拟和电压值模拟。模拟情况达到要求后，再根据实际情况设置通风机的调速参数。根据试验结果，当瓦斯浓度在0%～0.5%时，供电电源频率为30Hz，变频器输入电压为6.0V；当瓦斯浓度在0.5%～0.8%时，对应数据为34Hz、6.8V；当瓦斯浓度达到0.8%时，对应数据为40Hz、8V；当瓦斯浓度在1.0%～1.3%时，对应数据为46Hz、9.2V；当瓦斯浓度在1.3%～1.5%时，对应数据为50Hz、10V。

因此，PLC 变频调速技术应用于机电设备时，需要将实际的机电设备与生产环境关联起来，确保机电设备的工况与生产环境相一致，从而使其与其应用的PLC 变频调速技术相一致，进而发挥该技术在生产层面的优势[5]。例如，在上述矿井风机应用实例中，通过全要素分析与具体的生产工况环境实际试验，实现了PLC 变频调速系统设计的合理性与有效性，进而产生了较好的控制效果。另外，在各类机电设备中应用PLC 变频控制技术，需要综合分析其实际的应用场景、应用对象、应用目标、应用条件、应用试验以及应用效果等，以更好地发挥该技术的优势。

4 结语

PLC 变频调速技术在机电设备中的运用能够实现机电设备的自动化控制，通过优化机电设备性能提升系统的控制水平与应用效率。PLC 变频调速技术不仅能够满足机电设备改造升级需求，还可以与机电设备本身的信息化管理等资源融合，提高机电设备整体的智能化水平，将机电设备的持续性研发设计、故障处理、工况监测、数据统计分析以及风险预警等各项目标统一到机电设备的中心管理系统，提高机电设备的生产效率。因此，当前段应不断增强PLC 变频调速技术在机电设备应用中的数据库建设。