楊 潔 趙海龍

（1.呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼倫貝爾 021000；2.內(nèi)蒙古國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，呼倫貝爾 021000）

現(xiàn)代社會(huì)各行各業(yè)的生產(chǎn)都離不開(kāi)機(jī)電設(shè)備。隨著工業(yè)4.0 時(shí)代工業(yè)改革浪潮的興起，機(jī)電設(shè)備的智能化改造成為各企業(yè)提升其生產(chǎn)制造水平的重要路徑。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，證實(shí)了變頻調(diào)速在機(jī)械傳動(dòng)體系中的功能和價(jià)值。在變頻調(diào)速的無(wú)級(jí)調(diào)速、消除機(jī)械沖力、保護(hù)機(jī)電設(shè)備功能、減少維護(hù)成本、提升節(jié)電效果以及提升性能等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步聯(lián)合了PLC 編程技術(shù)，形成了基于PLC 可編制控制程序控制的變頻調(diào)速技術(shù)，極大地提升了機(jī)電設(shè)備中的智能化應(yīng)用水平。

1 PLC 變頻調(diào)速技術(shù)

PLC 變頻調(diào)速技術(shù)由兩部分構(gòu)成，一部分是PLC 可編程控制器，另一部分是變頻器。PLC 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用不是一種直接的單純技術(shù)的應(yīng)用，而是一種應(yīng)用方案。針對(duì)不同的機(jī)電設(shè)備，應(yīng)用PLC 變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)需要以實(shí)際的機(jī)電設(shè)備為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)置PLC 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用程序，安裝變頻器，確保PLC 變頻調(diào)速技術(shù)的匹配性[1]。

2 PLC 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)近年來(lái)PLC 變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)電設(shè)備中的運(yùn)用可知，它在機(jī)電設(shè)備層面具有較大的比較優(yōu)勢(shì)，包括智能控制優(yōu)勢(shì)、節(jié)能優(yōu)勢(shì)以及簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)等。例如，PLC 變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)設(shè)備方面具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)；在供水設(shè)備方面，它具有智能控制優(yōu)勢(shì)；在綿紡類設(shè)備中，它具有變頻調(diào)速的綜合優(yōu)勢(shì)，包括無(wú)級(jí)調(diào)速、節(jié)能、智能控制、降低成本以及提高性能等。PLC 變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)PLC 克服了傳統(tǒng)機(jī)電控制方面的非穩(wěn)定性，提高了可靠性，增強(qiáng)了抗干擾能力，并且在數(shù)據(jù)化PID 調(diào)節(jié)的情況下，使多路調(diào)節(jié)更加便利。尤其是PLC 變頻調(diào)速技術(shù)與機(jī)電設(shè)備信息管理系統(tǒng)的通信聯(lián)動(dòng)，將原來(lái)的物質(zhì)生產(chǎn)效率單一目標(biāo)轉(zhuǎn)換到了綜合效益方面，有利于提升機(jī)電設(shè)備企業(yè)各方面的生產(chǎn)率[2]。

3 PLC 變頻調(diào)速在機(jī)電設(shè)備中的運(yùn)用分析

機(jī)電設(shè)備若處于低負(fù)荷運(yùn)行工況下，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生“大馬拉小馬”的現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了機(jī)電設(shè)備的工作效率。同時(shí)，機(jī)電設(shè)備在使用過(guò)程中，本身存在機(jī)械故障、電氣故障以及運(yùn)行故障等風(fēng)險(xiǎn)。尤其是當(dāng)整個(gè)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)較差的條件下，它的維修成本和管理成本等均會(huì)上升。這既不利于發(fā)揮機(jī)電設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)，也很難通過(guò)提升機(jī)電設(shè)備應(yīng)用效率來(lái)擴(kuò)大企業(yè)生產(chǎn)。因此，有必要在機(jī)電設(shè)備中運(yùn)用PLC 變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)解決此類問(wèn)題。

3.1 變頻器結(jié)構(gòu)分析和類型選擇

在應(yīng)用PLC 變頻調(diào)速技術(shù)之前，需要做好變頻器結(jié)構(gòu)分析和類型選擇工作。具體而言，變頻器包括交-直變頻器和交-交變頻器兩種類型。應(yīng)用交-直變頻器可以借助整流器和逆變器等配套性組件，將工頻交流電轉(zhuǎn)化為可控交流電。與交-直變頻器類型相比，交-交變頻器類型可以直接由工頻交流電變成可控交流電。例如，礦井中經(jīng)常應(yīng)用的通風(fēng)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)設(shè)備，可以根據(jù)其設(shè)備類型選用較為合適的變頻器類型。假定選擇MM430 型變頻器（德國(guó)西門子公司生產(chǎn)），則可為PLC 變頻調(diào)速技術(shù)方案的設(shè)計(jì)提供過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)載以及防失速等比較優(yōu)勢(shì)[3]。當(dāng)前該變頻器能夠進(jìn)行二進(jìn)制編程，簡(jiǎn)單易操作，可以通過(guò)布拉爾關(guān)系式直接實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的數(shù)字、通信數(shù)字編程。輸入與輸出編程后，它能夠發(fā)揮機(jī)電設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)。

3.2 PLC 配置及其應(yīng)用分析

PLC 變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)電設(shè)備中的運(yùn)用中，不僅要完成變頻器的選擇，還需要通過(guò)選擇與應(yīng)用目標(biāo)相匹配的PLC 進(jìn)行具體應(yīng)用。PLC 是一種可編程控制器，包括輸入電源、I/O 接口、存儲(chǔ)器以及中央處理器（Central Processing Unit，CPU）等元件。中央處理器作為PLC 的核心構(gòu)成，其中又包括運(yùn)算器、控制器以及其他元件，旨在通過(guò)此類元件的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、控制以及各類故障的診斷處理[4]。I/O 接口的作用在于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，屬于接口組件。存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)所有的狀態(tài)信息。從應(yīng)用方面分析，PLC 的應(yīng)用需要先經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，再選用合適的可編程控制器。例如，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，選擇S7-200系列PLC 用于礦井通風(fēng)機(jī)電設(shè)備，并根據(jù)它的性能與優(yōu)勢(shì)，與上述MM430 變頻器進(jìn)行匹配。該系統(tǒng)的PLC 成本低、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊以及通信功能好，且采用的CPU226中央處理器組件與同類型的CPU224 相比，存儲(chǔ)能力和運(yùn)算速度等性能提升了近30%，同時(shí)具有在線連接編程或遠(yuǎn)程編程功能。從PLC 變頻調(diào)速技術(shù)的功能實(shí)現(xiàn)方面分析，通信監(jiān)視變頻器方式、邏輯組合方式以及模擬量控制方式均可以使用。以風(fēng)機(jī)設(shè)備為例，若采用MM430 變頻器和S7-200 系列PLC，那么根據(jù)其實(shí)際需求和控制要求，應(yīng)選擇通信距離較短的模擬量控制方式。

3.3 PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

從原理方面看，PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此只需先將各類器件進(jìn)行聯(lián)結(jié)，再通過(guò)運(yùn)行程序即可自動(dòng)工作。例如，當(dāng)機(jī)電設(shè)備負(fù)荷較低時(shí)，可以關(guān)閉高負(fù)荷時(shí)的開(kāi)關(guān)，將機(jī)電設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)到與負(fù)荷相一致的轉(zhuǎn)速，使機(jī)電設(shè)備電機(jī)與實(shí)際的動(dòng)力之間達(dá)到均衡，進(jìn)而化解“大馬拉小馬”的問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以PLC 控制程序?yàn)橹行?，通過(guò)將它與設(shè)備中的變速器進(jìn)行通信關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。

風(fēng)機(jī)設(shè)備與通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)工作環(huán)境中的瓦斯量。實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要先分析礦井的實(shí)際情況，再應(yīng)用PLC 變頻調(diào)速技術(shù)，使其通風(fēng)機(jī)的調(diào)速滿足其實(shí)際需求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，瓦斯?jié)舛仍?.5%以上（設(shè)備離開(kāi)關(guān)控制位置20m 范圍內(nèi)）時(shí)需要切斷電源。因此，根據(jù)復(fù)雜條件下的需求，選擇模糊控制法，先劃分出瓦斯所在區(qū)域，再根據(jù)不同的區(qū)域，用變頻器進(jìn)行供電電源頻率模擬和電壓值模擬。模擬情況達(dá)到要求后，再根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置通風(fēng)機(jī)的調(diào)速參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～0.5%時(shí)，供電電源頻率為30Hz，變頻器輸入電壓為6.0V；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?.5%～0.8%時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為34Hz、6.8V；當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為40Hz、8V；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?.0%～1.3%時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為46Hz、9.2V；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?.3%～1.5%時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為50Hz、10V。

因此，PLC 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備時(shí)，需要將實(shí)際的機(jī)電設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)境關(guān)聯(lián)起來(lái)，確保機(jī)電設(shè)備的工況與生產(chǎn)環(huán)境相一致，從而使其與其應(yīng)用的PLC 變頻調(diào)速技術(shù)相一致，進(jìn)而發(fā)揮該技術(shù)在生產(chǎn)層面的優(yōu)勢(shì)[5]。例如，在上述礦井風(fēng)機(jī)應(yīng)用實(shí)例中，通過(guò)全要素分析與具體的生產(chǎn)工況環(huán)境實(shí)際試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與有效性，進(jìn)而產(chǎn)生了較好的控制效果。另外，在各類機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用PLC 變頻控制技術(shù)，需要綜合分析其實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用對(duì)象、應(yīng)用目標(biāo)、應(yīng)用條件、應(yīng)用試驗(yàn)以及應(yīng)用效果等，以更好地發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC 變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)電設(shè)備中的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化控制，通過(guò)優(yōu)化機(jī)電設(shè)備性能提升系統(tǒng)的控制水平與應(yīng)用效率。PLC 變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠滿足機(jī)電設(shè)備改造升級(jí)需求，還可以與機(jī)電設(shè)備本身的信息化管理等資源融合，提高機(jī)電設(shè)備整體的智能化水平，將機(jī)電設(shè)備的持續(xù)性研發(fā)設(shè)計(jì)、故障處理、工況監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等各項(xiàng)目標(biāo)統(tǒng)一到機(jī)電設(shè)備的中心管理系統(tǒng)，提高機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)效率。因此，當(dāng)前段應(yīng)不斷增強(qiáng)PLC 變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)電設(shè)備應(yīng)用中的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。