PLC和變頻器實現電氣自動化控制的思考與實踐

姜子鵬 陳洪振 樊志鵬

[摘 ? ?要]目前，我國電氣自動化技術進入飛速發展時期，電氣化設備的應用也越來越廣泛。為了科學監測電氣設備運動情

況，實現智能化控制，技術人員把PLC和變頻器運用在電氣設備中，根據設備需求來選擇變頻器與PLC模塊型號，科學降低電氣自動化設備成本，利用PLC軟件編寫智能化程序，真正實現智能化控制，實現PLC系統與變頻器的通信協議，排除線路干擾與故障，保障電源正常供電，保障電氣設備安全、平穩運行，保障企業經濟效益，促進我國電氣自動化技術發展。

[關鍵詞]PLC程序;變頻器;自動化控制;技術特點

[中圖分類號]TM921.51 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–000–04

Thinking and Practice of PLC and Frequency Converter

Realizing Electrical Automation Control

Jiang Zi-peng，Chen Hong-zhen，Fan Zhi-peng

[Abstract]With the implementation of the "Made in China 2025" strategy， electrical automation technology has entered a period of rapid development， and the application of electrified equipment has become more and more extensive. In order to scientifically monitor the movement of electrical equipment and realize intelligent control， technicians use PLC and inverter in electrical equipment， select inverter and PLC module models according to equipment requirements， scientifically reduce the cost of electrical automation equipment， and use PLC software to write intelligent It can realize intelligent control， realize the communication protocol between PLC system and inverter， eliminate line interference and faults， ensure normal power supply of power supply， ensure safe and stable operation of electrical equipment， ensure economic benefits of enterprises， and promote the development of electrical automation technology in China.

[Keywords]PLC program; frequency converter; automatic control; technical characteristics

PLC技術屬于1種可編程邏輯控制器，是變頻器的重要技術支持，可以代替傳統直流調速技術，智能化調節電源頻率，打造全系的人機互動控制模式，降低企業在人力上的投入，提升變頻器數據分析與處理能力，有效提升電氣自動化設備生產效率，落實好節能減排目標。技術人員要深入研究PLC技術和變頻器，積極尋找二者在技術上的共通點，把PLC和變頻器運用在電氣自動化技術中。技術人員可以根據企業生產要求來設定PLC程序，通過指令來操控變頻器工作，提升生產精度;把變頻器端子和PLC系統連接起來，保障操控指令可以順利發出;運用PLC控制技術對變頻器線路、電源運行情況等進行檢測，及時排查出設備運行過程中存在的安全隱患，幫助技術人員及時排除障礙，降低企業設備維修成本，提升企業生產效率，進一步推動電氣自動化技術發展，加快我國制造業轉型升級步伐。

1 PLC程序系統工作原理和優勢

隨著電子控制技術發展，PLC技術逐漸在電氣企業中得到普及，憑借操作簡單、編程代碼多元化和智能化控制等優點，迅速得到企業青睞。PLC技術可以代替人工操作，提升設備加工精度，幫助企業實現智能化控制，降低產品損耗率，還可以對生產加工流程進行全程監測，及時發現設備運行過程中出現的故障，并幫助技術人員監測主故障位置，有效縮短維修時間，盡快讓設備恢復正常運轉，從而提升企業生產線生產效率。

企業把PLC控制技術運用在變頻器上，例如在流水線作業中，利用傳送單元把工件運送到加工區域，由光電傳感器對物料進行檢測，篩選出符合加工標準的物料。變頻器在安裝PLC系統后，計算機通過適配器與PLC簽訂通信協議，再利用網線把PLC和變頻器相接，利用PLC編程代碼來控制變頻器頻率，從而真正實現對電機頻率的智能化控制。PLC控制系統中的高速計數器，可以對變頻器信號進行計數，通過檢測到的數據來控制傳輸帶運行，根據設備運行情況控制變頻器頻率。PLC控制系統主要是通過主站通信觸摸屏來發出操控指令，發出電機運轉頻率值，再通過PPI通信協議把信號和控制指令傳輸到變頻器各個端口。PLC控制系統通過數字端口向變頻器電機傳達開啟、停止、正傳和反轉等信號，以此來控制變頻器電機運行，保證變頻器安全運行。

2 變頻器技術特點分析

2.1 節能效果明顯

變頻器是電力設備必不可少的一部分，電機負載范圍各不相同，變頻器可以利用計算機編程技術來設定電機轉速，讓電機轉速在自身負載范圍內運行，科學控制電機轉速，以防電機轉速過高造成資源浪費。此外，變頻器可以調整電機轉速、轉向，根據設備加工生產需求，合理設定變頻器負荷值，平衡系統能耗和電機轉速之間的關系，降低系統能耗，從而降低設備燃油和電力消耗，凸顯變頻器節能優勢。變頻器和PLC控制技術結合后，可以通過指令來對電機電流進行控制，減少了電流傳輸過程中的流式，這比傳統電力控制方式更加節能。

2.2 安全性比較高

變頻器自身安全性比較高，主要體現在以下兩個方面：一方面，變頻器采用軟啟動方式，啟動時不會產生沖擊電流，有效避免了對電機的損害，還可以削弱對電網的損害，保障企業整個電網安全運行。另一方面，變頻器對其他設備干擾比較小，即使1臺設備使用多個變頻器，也不會對其他設備產生諧波干擾，其他設備可以正常接受電波訊號和控制指令，降低設備故障率，企業也可以不用額外安裝濾波器，降低了企業設備檢修成本。

2.3 快速排查單元旁路故障

單元旁路故障是電氣設備最常見的故障之一，一旦變頻器功率出現故障，變頻器通信電路可以自動向主控系統報警，主系統通過分析報警信號類型、數據參數，判斷變頻器故障類型以及發生故障的單元。變頻器確定故障單元后，會自動切斷存在故障的單元旁路，確保整個系統正常運行，這可以幫助維修人員提升工作效率，有效提升變頻器工作效率。

2.4 加強設備保護

變頻器采用模塊單元化設計理念，對內部各個零部件、控制系統實施模塊化管理，這種控制方式更有利于保護變頻器各類零部件，一旦發現某個模塊出現故障，維修人員可以快速對重點位置進行檢修，避免拆卸變頻機，延長變頻器使用壽命。變頻器還可以智能化調節電機頻率，把電流控制在電機負荷范圍內，避免因為電流過大損傷電氣元器件，加強對電氣設備保護。例如，工廠安裝PLC與變頻器的集成系統，一旦電機出現故障，維修人員可以切斷部分線路電源進行檢修，保障工廠其他線路正常供電，減少因為停電對設備造成的損害。

3 變頻器在PLC自動控制技術中的應用

3.1 科學選擇變頻器與PLC模塊型號

隨著電氣設備逐步普及，變頻器在電氣設備的運用越來越廣泛，成為很多工業企業必不可少的設備，這推動了國內變頻器技術發展，催生了很多不同型號的變頻器。①企業要根據自身電網負載范圍、電路設計、設備功率等來選擇合適的變頻器和PLC模塊型號，最大限度保障整個電網、生產線的安全運行。②技術人員要根據企業自身生產需求，搜集市面上不同型號、不同廠家的變頻器，在企業進行內部實驗，檢測各種變頻器運行穩定性、能源消耗量和故障維修率等指標，重點檢測變頻器是否符合電機負荷率，是否可以滿足各類機械設備運行所需要的電力資源，保障變頻器的穩定性和安全性。③技術人員要根據選定的變頻器型號來選擇PLC模塊型號，圍繞變頻器指數來設定PLC控制系統參數。PLC系統采用主從控制原理，一方面利用傳動帶連接電機軸和傳動軸連接，采用柔性連接方式，保障電機轉矩處在安全范圍內，控制好主傳動電機轉速，保障電力正常輸出。另一方面可以利用齒輪鏈條來固定傳送帶和電機軸，保證主驅動電機和從驅動電機保持同步運轉，合理分配主從電機電流負荷，避免電機電流過大，提升變頻器和PLC控制技術。

3.2 變頻器端子與PLC系統相連

變頻器端子是1種常見的電子連接器，一般位于變頻器后蓋處，它連接了變頻器主回路和控制回路，體積比較小。變頻器一般會安裝多個端子，這些端子負責傳輸各種電波信號和導電，把電機電流傳送至變頻器各個單元模塊，同時把主控制系統指令傳達給各個支路單元，它為變頻器和PLC控制系統銜接提供了技術基礎。技術人員可以把變頻器端子直接和PLC控制模塊相連，利用萬用表測量端子和PLC系統電流和電壓值，確保電流處在變頻器和PLC控制模塊負載范圍內，發揮出變頻器節能、安全的優勢，幫助技術人員實現電氣設備智能化控制。技術人員需要根據變頻器技術參數、設備功率和PLC系統負載范圍等來選擇連接方式，常見的連接方式為把變頻器模擬量端子和數字量端子相連，利用PLC系統的擴展板塊來連接端子，一般情況下變頻器數字端口包括了

I/O兩類端子，可以滿足不容傳輸需求，可以有效提升變頻器頻率調節準確率。變頻器與PLC系統連接關系到整個電機、電網運行穩定與安全，維修人員要定期對變頻器端子進行檢測，及時加固端子，確保端子和PLC控制模塊的連接，避免出現短路或端子松動等問題，形成1個安全的閉環控制系統，把PLC控制系統指令準確傳達給變頻器。

3.3 編寫智能化控制程序

PLC控制技術的核心是計算機編程技術，技術人員要根據變頻器運行參數、設備電流參數和加工工藝要求等來編寫控制程序，實現變頻器智能化控制。PLC控制系統主要有中央處理器、存儲器、輸入和輸出單元和編程器等組成，技術人員利用中央處理器編寫控制程序編碼，讀取微型計算機指令，并執行操控指令，把控制指令傳達給每1個零部件。PLC系統內部通常有兩種存儲器，其中系統程序存儲器主要用于存放和管理PLC系統內部數據，讀取變頻器內部的ROM數據，防止PLC系統數據丟失，為維修人員提供維修數據。變頻機和PLC控制技術融合以后，技術人員可以利用PLC系統的輸入與輸出單元（I/O單元）來傳輸信號，把控制指令傳遞到變頻器每1個端口，同時還可以過濾變頻器內部的一些干擾濾波。變頻器和PLC系統連接以后，更方便技術人員利用編程技術控制電氣設備，利用變頻器及時調整電機轉速和電流大小，保障整個電力系統正常供電，還可以利用變頻器對整個電路、設備進行監測，一旦發現線路出現短路、斷路或電器元件接觸不良等故障，可以快速監測故障位置，并及時發送安全警報，切斷故障單元電路，保證系統其他線路正常運轉，保證電氣設備安全運行。

4 PLC自動控制技術在變頻器中的應用

4.1 合理實現通信協議

技術人員想要把PLC自動控制技術應用于變頻器，首先要解決二者之間的通信問題，可以利用計算機來構建通信協議，進一步優化PLC控制程序和變頻器在程序上的銜接，保障設備流暢運行。目前，技術人員常用的通信協議技術有MOD—BUS和自由口通信協議，可以根據企業電氣設備運行需求、變頻器型號和生產線需求等因素來選擇通信協議方式，把變頻器和PLC技術真正融為一體，幫助企業安全提升生產效率。技術人員要把信號地設置在變頻器元件和電源相接處，把電源地設置在單片機和直流電源相接的位置上，這樣可以減少變頻器和PLC系統之間的線路距離，降低電力傳輸過程中的損耗，實現節能減排的目標。此外，技術人員可以對單片機進行接地處理，這樣可以減少輸入電路、輸出電路對電網穩定性的影響，還可以方便PLC控制技術搜集變頻器和電網運行數據，針對電流、電壓異常情況進行分析，科學選擇單片機接地方式，一般情況下單片機接地線路的電阻要控制在100 Ω以內，可以避免停電對電機造成損害，可以更好地保護變頻器。PLC控制技術和變頻器在電氣自動化控制領域有著廣泛運用，符合當下智能制造發展理念，企業要鼓勵技術人員創新，加快PLC技術和變頻器技術科研工作，把最新科研成果、科研專利轉化為實際生產力，從而推動企業電氣自動化控制技術發展。

4.2 及時抑制線路干擾

現代企業離不開大型電氣設備，變頻器和PLC控制技術可以幫助企業優化生產線，優化企業內部電網線路和變壓器線路，不斷優化電氣控制技術。PLC控制技術可以有效降低變頻器受到的諧波干擾和線路干擾，保證電氣控制指令可以順利傳達，從而保證設備正常開啟、運轉，保證生產線順利運轉。技術人員可以把大負荷機械和單片機獨立配線，再把電源線、控制線和電網動力線單獨配線，利用萬用表及時檢測各個線路電流與電壓值，再把變頻器和PLC控制器接入電路中。部分企業把變頻器和PLC控制器線路設計不同的線槽，根據單片機和重型機械接線電線粗細、連接點等特點來重新設計線槽，而且線路之間的距離越大越好，這是因為大功率設備運行過程中會產生較多的電磁信號，這會影響單片機控制器信號，因此，要把大型機械設備和單片機的線路分開，并保持一定的距離，這樣可以減弱大型機械對單片機的干擾。此外，技術人員可以在變頻器或PLC系統中安裝一些半導體元件，幫助單片機對接收到的信號進行轉換，例如安裝一些電磁元件或光感元件，對單片機接收到的信號進行分解、轉換，再把這些信號進行調節處理，隔離電源信號，確保變頻器和PLC控制系統信號互不干擾，保證電氣設備按照PLC控制程序設定好的指令運轉，減少安全事故的發生。

4.3 抑制電源干擾

大型機械運轉會干擾變頻器和PLC設備信號，技術人員可以從大型機械入手，選擇隔離性能良好的電源，并在線路中安裝高壓放電設備，降低電源線、信號線等發出的干擾信號，還可以科學監測變頻器自身發出的干擾信號，可以安裝一些濾波器，過濾變頻器自身產生的干擾電磁波。技術人員可以為變壓器和生產車間單獨配線，根據設備額定電流、電壓和變壓器功率等選擇電線，并根據電氣設備電網需求來選擇變頻器和PLC控制器型號，保證電氣設備電網運行安全。此外，技術人員可以把變壓器進行接地處理，把變壓器的電源輸入與輸出線路接地，可以抑制變壓器產生的干擾，還可以在電源口連接濾波電路，減少大地對單片機工作的影響，還可以保證整個電網安全運行。變頻器和PLC控制系統無形中會影響企業整個電網運行，雖然實施了模塊化管理，但是電壓的波動也會影響PLC控制系統的信號，技術人員可以根據大型機械設備、變頻器和PLC控制系統需求，打造集成電壓器，利用這一設備來控制電壓，削弱電源設備的信號干擾。

5 結語

PLC控制系統和變頻器是電氣自動化控制的核心，技術人員要積極學習新技術、新理念，研發新型號變頻器，把人工智能技術融入PLC編程系統中，進一步提升電氣設備工作效率，促進PLC系統和變頻器的結合，發揮它們安全性高、節能性強、便于操作、智能化控制等優勢，提升企業電氣設備生產效率，為我國制造業發展注入新活力。

參考文獻

[1] 王菲.電氣設備自動化控制之PLC與變頻器應用[J].電子測試，2021（8）：3.

[2] 韓名曉.PLC與變頻器在自動化控制系統中的應用[J].集成電路應用，2021，38（7）：2.