关于PLC和变频器实现电气自动化控制的分析

马茂军，范鹏章，王 栋，杨晓红，王延明

（1.东营市技师学院，山东 东营 257000；2.东营市市政工程公司，山东 东营 257000）

0 引 言

目前，工业生产过程需要依托于大量的电气设备，传统技术理念、设备等方面的滞后性使其难以在当下以至未来为企业创造更高的经济效益，而如何运用新技术、新理念提升工业生产的质量、效率也就成为目前企业负责人以及相关研究人员共同关注的话题。本文重点研究PLC以及变频器在制冷机组中的应用，分析PLC与变频器在电气设备自动化控制中体现出的不同价值及作用。

1 PLC与变频器概述及其在制冷机组中应用的目的及意义

1.1 PLC与变频器简述

PLC系统是广泛应用于现代工业生产过程中的一种逻辑控制器，能够利用可编程的储存器对自动化系统程序中的各种数据进行解码、储存、撤销等处理，以执行逻辑运算以及顺序控制等指令[1]。

变频器是一种可以转换工频电源频率的设备，其主要功能有变频调速、转换功率因数等，变频器的存在能够有效提升电气自动化控制的运转精准度[2]。

1.2 PLC控制器与变频调速技术在制冷机组中应用的目的

第一，个性化节能控制。可编程控制器能够依照客户的个性化需求，通过交互界面完成对制冷系统吸气压力以及吸气压力目标值等方面的控制，同时也可以灵活调整制冷系统中压缩机的实际运转频率，达成提升制冷系统输出回路稳定性、降低压缩机启停次数、减少制冷系统耗电量、提高整体制冷系统运行效率等目标，最终实现对制冷机组的节能控制。

第二，全方位保护功能。为保障制冷机组维持长时间的有序运转，安装了高低压压差开关、过电流继电器、温度传感系统、冷冻油液控制器等[3]。以上系统、器械的信号能够被PLC可编程控制器进行统一收集、管理，并且可以在机组任意组成部分出现故障的情况下自动触发警报，甚至在必要情况下直接停机，全方位地保护整体制冷系统运行的安全性以及机组周围电网电路的稳定性。

第三，数字化管理。可利用电容触摸屏、电脑应用界面等作为人机交互界面，通过对相关模块的操作调动整体制冷机组的运行，同时可以控制查找压力、温度、机组故障、既往数据等内容，并且可以对制冷机组的运行参数进行灵活控制[4]。

第四，远程数据传输。为实现制冷机组相关数据异地传输的目标，本文研究选用了GPRS远程无线传输技术以及WiFi技术，实现在GPRS、WiFi等无线网络覆盖区域中的实时信号传输。相较于传统制冷机组技术而言，本文研究目标无需过于复杂的线路布置，在降低安装与运营成本的基础上维护了制冷机组作业环境的安全性。

2 PLC以及变频器在制冷机组中的研究意义和主要研究内容

本文对PLC以及变频器的主要研究意义，在于以PLC和变频器在制冷机组中的研究充实整体电气自动化控制领域的研究成果，进而实现工业领域在降低水电气能耗的基础上提升工业自动化电气设备运行效率与质量的目标[5]。

提高自动化水平是当下众多工业领域孜孜以求的发展目标与防线，而PLC以及变频器在自动化控制系统中的应用正满足了这一需求。故本文的重点研究内容为：①分析制冷循环系统中的电机转速、电机输出功率以及实际制冷负荷需求三者间的相互关系，验证PLC以及变频器在制冷系统中的全自动控制与节能效果；②分析传统制冷机与变频制冷剂的运行数据，分析变频技术对制冷机温度控制精准度的作用；③应用变频器的可控性，加之PLC可编程控制器以及交互窗口控制器协同作业于提高制冷机组的自动化水平、增强机组实际工作效率的可操作性。

3 PLC与变频器的型号选择

3.1 对PLC型号的选择与程序设计

PLC如今已经成为电气设备自动化控制过程中不可或缺的组成部分，其不仅能够有效发挥出相关技术的优势，同时也能够促进不同型号设备运行性能的最大化。依照本文研究的侧重点和基础的控制要求及配置，最终选择了OMRON公司所生产的PLC可编程控制器，其型号为CP1H-XA40DR-A，仅凭借此一台控制设备就能够满足对制冷机组的全部控制，无需另外衔接其他类型的PLC程序与模块。例如，传统制冷机组中想要达成对冷媒以及冷凝器的控制，需要通过技术人员手动调整相应仪器构件，不仅操作时间较长，而且缺乏精准度。而使用CP1H-XA40DR-A后，技术人员只需要在触屏交互面板上对相关的构件、设备进行指令发放与参数调整，便可以实现远程控制。

3.2 对变频器型号的选择

目前，市面上各个厂家的变频器在使用过程中皆有一定的概率出现如“开关电源损耗大”“LGBT模块损坏”“OH过热”“UV欠压故障”等问题，因而对变频器的选择应该保持与对PLC的选择一致，相关技术人员在选择变频器的过程中也要充分考虑其在实际使用过程中的各种影响因素，从而依照电气自动化控制的实际需求来横向对比变频器的质量与性能。本机组的研究过程中选用了日本安川变频器，其型号为CIMR-J4-500B。依照相关变频运转试验报告可以得知，其变频运转的各项参数基本符合本研究压缩机运行的基本需求。并且在经过实际测试之后，可知CIMR-J4-500B变频器对15HP压缩半封闭压缩机的控制效果以及各项参数比较符合研究要求。因此，本研究同步选择了两台15HP压缩半封闭压缩机并联CIMR-J4-500B变频器构成压缩机组。该压缩机组以“定频+变频”同步运转的方式，共同服务于制冷机组，其中变频机组的实际运转调节范围在“40%～120%”的无极调节。

3.3 针对变频器中PLC模块的选择

针对变频器中PLC模块的选择，需要对PLC控制系统模块的电源质量、储存器容量、反应速度、通信质量等进行全方位的分析，重点关注拥有更强控制功能的选项，以保障相应备选PLC模块能够与变频器运行的稳定性、安全性，保障其能够共同作用于电气设备自动化控制工作之中。以PLC储存器为例，本研究选用的PLC储存器为针对系统的EEPOROM储存器，用于存放系统程序以及相关数据。针对技术人员方面选用了PORAM储存器，用于存放技术人员设置的相关参数与数据、更改记录等。反观变频器中其余PLC模块，其在性能、造价、使用周期等方面的区别较小，不同型号的选择对本文的研究结果影响程度不深，因而并未进行特殊处理与试验。

4 制冷原理以及制冷系统组成理论分析

首先是制冷原理，其在热力学观点中可以阐述为“以反向循环的热能转换系统”。冷媒受到活塞压缩做工而转变为反向热传导循环，促使低温载体传向高温环境传输热能，而系统的作用就是在这一过程中进行补偿做功。其次是制冷机组的基本循环，其可分为蒸发、压缩、冷凝与膨胀4个过程。

4.1 PLC以及变频器在制冷机组的应用

传统制冷机组会选择通过调整设备所处空间温度、控制冷凝剂用量等方式达成控制环境温度的目标，操作较落后。而本研究的制冷机组可以通过对PLC控制器以及变频器的利用来精准控制制冷机组被控环境的温度。如图1所示，由PLC控制器以及变频器共同构成的控制系统能够有效实现对制冷机组的全自动化控制，其参数以及变化归路也能够得到较好满足。在该控制体系中，通过变频器与PLC的协同作用，使得两台冷却泵W1以及W2和两台冷水泵W3以及W4进行运行控制，以制冷循环的内部为主要出发点，全方位地提高制冷机组的自动化控制运转效率。

图1 控制系统功能结构

4.2 控制硬件系统设计

依照图2所示，冷却泵W1所使用的变频接触器是KM2，因此需要接触器KM2与W1变频器进行连接后才能够有序运行。同理，接触器KM1可以作为W1变频器的工频接触器，因此只有在KM1与冷却泵互相连接的情况下，整体制冷机组的输泵电路才能够连接到变频器之中。借助上述内容便可以更好地理解冷却泵W2的运行原理，也就是冷却泵W2的变频接触器与工频基础器为接触器KM4以及KM3出水以及回水温度需要通过两个PLC长安器进行控制，同时通过PLC温度采集模块FX2N-4AD-PT将其二者进行有效衔接，并且该转化过程中产生的数字量与数据信息等都要通过PLC进行运算与储存，而后通过输出面板将运算结果转换为模拟量。变频器就是通过这种方式来达成对水泵转速的控制。伴随着出水与回水温度的变化，水泵的转速也会发生相应的改变，因此通过对温度的合理把控来有效控制制冷系统中水泵的运转速度，进而达成电气系统全自动控制的目标。

图2 冷却泵W1主电路原理图

4.3 控制系统的输入及输出分配

PLC属于工业可编程控制器，其核心组成部分为微处理器，其余则由计算机技术、半导体储存技术以及自动控制技术等共同组成。本文选择了FX2N-32MR信号的PLC可编程控制器以及FX2N-4AD-PT模拟量输出模块。PLC可编程控制器在制冷机组对并联压缩机装填进行控制时，需要与制冷系统中的吸气压力传感器进行联通感应，通过对吸气压力传感器所产生的吸气压力数据进行采集，而后通过变频器计算处理相关数据完成对输出频率的控制。除此之外，为保障制冷机组以及整体制冷系统运行的稳定性，需要对PLC可编程控制器进行处理，使其能够有效控制油压开关、油位控制器、低电压保护器等系统、模块所生成的数据信号[6]。

4.4 操作界面制作

操作人机界面可以根据整体系统的运行状态以及上位机的操作指令来进行数据画面的表达，操作人员方面可以通过人机界面进行与整体系统的管理以及与上位机之间的交流[7]。除此之外，操作界面也可以依照制冷系统的吸气压力运行曲线进行显示并储存相关数据，指令机组的故障报警以及相关故障数据也可以显现在操作界面之上，以待工作人员进行进一步的操作处理。同时，制冷机组压缩机的具体回液状态以及其吸气过热等都可以通过交互界面进行指令控制。本文选用了MCGS组态软件设计制作制冷机组人机交互界面的开机界面、操作界面以及监视界面如图3所示。

图3 交互界面设计

4.5 控制程序软件设计

控制程序的软件可以简单概括为以下内容：首先是A/D转换程序，制冷系统通过对数字模型的转换所取得的数据信息可以保存在寄存器之中，而数字信息的转换可以通过PLC模块完成，从而连同变频器共同控制水泵的运行效率。其次是自动调速程序，工作人员可以将温差采集阶段时间设置为5 s，以此来适应冷却水的温度变化速度。同时，变频器的运行效率也可以依照温差的相关参数进行合理调整[8]。例如，当温差大于5 ℃时，变频器便自动将频率调整为0.5 Hz。依照这种方式，便可以充分发挥变频器的使用价值，与可编程控制器共同实现对电气系统的自动控制。最后为冷却泵出水、回水温差计算程序[9]。此外可以在该程序中设置出水以及回水的标准温度，同时设置回水温度通道、冷却水出水水温通道以及单独的回水温差寄存通道[10]。

5 结 论

总而言之，PLC与变频器协同作用于电气设备自动化控制之中能够有效降低系统运行故障的发生概率，帮助达成弥补生产不足、提高生产效率的美好愿景。如此就需要相关技术人员与研究人员能够加强对PLC和变频器的关注，同时针对电气设备自动化设备的不足以及其运行过程中的漏洞进行细致分析，利用PLC和变频器的共同作用去进一步改善、优化操作系统，为工业、企业日常生产活动的有序性、稳定性及高效性奠定基础，助力社会的发展。