PLC在國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器中的運(yùn)用

在國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的設(shè)計(jì)中，為了提高高壓變頻器內(nèi)部控制的靈活性以及在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可擴(kuò)展性，通常在高壓變頻器中內(nèi)置PLC。自從20世紀(jì)70年代第一臺(tái)PLC誕生以來，PLC的應(yīng)用越來越廣泛、功能越來越完善，除了具有強(qiáng)大的邏輯控制功能外還具其他擴(kuò)展功能:A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID閉環(huán)回路控制、高速記數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能，并可以通過上位機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄、人機(jī)對(duì)話，使其控制水平大大提高。

本文以廣州智光電機(jī)有限公司為攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵有限公司污水處理廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)高壓變頻器ZINVERT-H800/B10為例，介紹了三菱PLC在高壓變頻器控制系統(tǒng)中的運(yùn)用。

2、廣州智光電機(jī)高壓變頻器簡(jiǎn)介

廣州智光電機(jī)有限公司推出的新一代高性能ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為直接高－高型變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過直接調(diào)節(jié)接入高壓電機(jī)定子繞組的電源頻率和電壓來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目的。它是集大功率電力電子控制技術(shù)、微電子技術(shù)、高速光纖通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和高電壓技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用主流高性能專用雙DSP控制系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，通過精確的數(shù)字移相技術(shù)和波形控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)的靈活調(diào)節(jié)和能耗控制。

3、PLC在國(guó)產(chǎn)高壓變頻器中的設(shè)計(jì)使用

3.1 PLC主要邏輯控制

（1）用戶要求高壓變頻器在出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)能快速自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行，筆者給高壓變頻器專門配置了可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旁路功能的旁路柜，如圖1所示，K1～K4為手動(dòng)操作刀閘，J1～J3為高壓真空接觸器。在變頻器發(fā)生故障時(shí)，旁路柜可以在幾秒內(nèi)完成從變頻到工頻的轉(zhuǎn)換;而變頻器在工頻運(yùn)行時(shí)，通過1個(gè)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)變頻器從工頻到變頻的轉(zhuǎn)換。這樣的控制要求增加了變頻器整機(jī)控制邏輯的復(fù)雜性。

圖1 自動(dòng)旁路柜

自動(dòng)旁路柜控制邏輯簡(jiǎn)要介紹如下：

變頻調(diào)速系統(tǒng)退出變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行有兩種方式，一種是自動(dòng)方式，一種是手動(dòng)方式，選擇自動(dòng)方式時(shí)，當(dāng)變頻器發(fā)生停機(jī)故障時(shí)變頻器自動(dòng)從變頻轉(zhuǎn)工頻;選擇手動(dòng)方式時(shí)則需人工操作。

變頻調(diào)速系統(tǒng)退出工頻轉(zhuǎn)變頻運(yùn)行也有兩種方式，一種是自動(dòng)方式，一種是手動(dòng)方式，選擇自動(dòng)方式時(shí)，只需在控制柜上按一個(gè)按鈕，變頻器就自動(dòng)完成從工頻轉(zhuǎn)變頻;選擇手動(dòng)方式時(shí)則需人工操作.

（2）PLC控制系統(tǒng)原理圖

PLC主機(jī)選用輸入輸出點(diǎn)數(shù)48點(diǎn)，型號(hào)為FX2N-48MR，PLC作為系統(tǒng)邏輯量控制的控制核心，在自動(dòng)旁路柜的邏輯關(guān)系控制中起著至關(guān)重要的作用。PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)原理圖

旁路柜的邏輯控制要求比較復(fù)雜，采用PLC控制，接線簡(jiǎn)單，提高了可靠性;旁路柜的邏輯更改也變得很簡(jiǎn)單，只需修改PLC梯形圖程序就可以了，很方便滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的控制要求。

（3）PLC功能指令實(shí)現(xiàn)高壓變頻器PID閉環(huán)控制

用戶現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變頻器閉環(huán)控制提出的要求是:變頻器能夠根據(jù)用戶系統(tǒng)用水量的變化，自動(dòng)調(diào)整變頻泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)恒壓供水;同時(shí)還可以在液晶屏上設(shè)定壓力目標(biāo)值。

針對(duì)用戶的要求，PLC另外配置了模擬特殊模塊FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD為模擬輸入模塊，有四個(gè)輸入通道，最大分辨力12位，模擬值輸入范圍為-10V～10V或者4～20mA;FX2N-2DA為模擬輸出模塊，有2個(gè)輸出通道，最大分辨力12位，模擬值輸出值范圍為-10V到10V或者4到20 mA。這樣通過讀取指令（FROM）和寫入指令（TO），以及PLC帶有的PID閉環(huán)控制功能指令（如圖3所示），就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)的管網(wǎng)水壓進(jìn)行PID閉環(huán)控制。

圖3 帶有的PID閉環(huán)控制功能指令的PLC 程序

其具體編程過程是這樣:PLC讀取指令（FROM）讀取用戶水壓反饋值，把反饋值用移動(dòng)指令（MOV）存入PID指令中的D12數(shù)據(jù)地址里; 把用戶的水壓設(shè)定值用移動(dòng)指令（MOV）存入PID指令中的D10數(shù)據(jù)地址里;D200～D222保存PID的運(yùn)行參數(shù);D14為PID指令的運(yùn)算值輸出，通過PLC的寫入指令（TO）把PID閉環(huán)運(yùn)算結(jié)果D14寫入模擬輸出模塊，再通過模擬輸出模塊轉(zhuǎn)換成-10V～10V或者4～20mA的模擬信號(hào)送入高壓變頻器控制器進(jìn)行頻率設(shè)定。

在進(jìn)行PID運(yùn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，P、I、D的參數(shù)設(shè)定尤其重要，其設(shè)定的好壞直接關(guān)系到管網(wǎng)水壓控制的好壞。P表示比例增益，設(shè)定范圍為0～99(%)，比例調(diào)節(jié)設(shè)定大，系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例增益，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定;I表示積分時(shí)間，設(shè)定范圍為0～32767(*100ms)，積分時(shí)間越小，積分作用就越強(qiáng)，反之I越大則積分作用弱;D表示微分時(shí)間，設(shè)定范圍為0～32767(*10ms)，微分調(diào)節(jié)有超前的控制作用，合適的微分時(shí)間能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

攀鋼污水處理廠供水管網(wǎng)比較龐大，管網(wǎng)水壓對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的變化響應(yīng)比較緩慢， 因此PID的計(jì)算速度不能過快，即比例調(diào)節(jié)不能過快，否則如果管網(wǎng)水壓突然變化大時(shí)，變頻器的調(diào)節(jié)容易形成較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。根據(jù)這一情況，如圖3所示，可以在PLC控制程序中加入PID間隔計(jì)算時(shí)間（T0）以及PID運(yùn)算死區(qū)（M0），這樣就可以把PID的計(jì)算速度調(diào)節(jié)至與管網(wǎng)水壓變化速度相一致，避免管網(wǎng)水壓震蕩。

（4）PLC功能指令實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器上位機(jī)通信

為了使變頻器上位機(jī)能對(duì)PLC進(jìn)行顯示、報(bào)警及記錄，PLC還配置了通信模塊FX2N-232BD，實(shí)現(xiàn)與變頻器上位機(jī)的串口通信，通信編程指令如圖4所示。

圖4 通信編程指令

PLC RS232串口通信可使用無協(xié)議（RS指令）或?qū)Ｓ脜f(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，本例中使用無協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，如圖四所示:D8120用于設(shè)定PLC通信格式，D50表示發(fā)送起始地址，K60表示發(fā)送字節(jié)數(shù)量，D150表示接收起始地址，K20表示接收字節(jié)數(shù)量。

4、結(jié)束語(yǔ)

高壓變頻器自動(dòng)旁路柜采用PLC進(jìn)行旁路邏輯控制，通過在攀鋼污水處理廠運(yùn)行的智光高壓變頻器模擬故障說明，高壓變頻器自動(dòng)旁路柜在從變頻轉(zhuǎn)工頻，工頻轉(zhuǎn)變頻的相互切換非常方便，能在10s以內(nèi)完成，大大提高了水泵運(yùn)行的可靠性。現(xiàn)場(chǎng)PID閉環(huán)控制效果非常理想，水壓波動(dòng)非常小，波動(dòng)在超過0.1kg時(shí)，變頻器能迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，把水壓控制在設(shè)定范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何振蕩。同時(shí)通過PLC與高壓變頻器控制器的串口RS-232通信，在高壓變頻器液晶屏上能監(jiān)視系統(tǒng)管網(wǎng)水壓及PLC各種狀態(tài)量