PLC在國產高壓大功率變頻器中的運用

1、引言
在國產高壓變頻器的設計中，為了提高高壓變頻器內部控制的靈活性以及在現場應用的可擴展性，通常在高壓變頻器中內置PLC。自從20世紀70年代第一臺PLC誕生以來，PLC的應用越來越廣泛、功能越來越完善，除了具有強大的邏輯控制功能外還具其他擴展功能:A/D和D/A轉換、PID閉環回路控制、高速記數、通信聯網、中斷控制及特殊功能函數運算等功能，并可以通過上位機進行顯示、報警、記錄、人機對話，使其控制水平大大提高。
本文以廣州智光電機有限公司為攀鋼集團成都鋼鐵有限公司污水處理廠設計生產的國產高壓變頻器ZINVERT-H800/B10為例，介紹了三菱PLC在高壓變頻器控制系統中的運用。
2、廣州智光電機高壓變頻器簡介
廣州智光電機有限公司推出的新一代高性能ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統為直接高－高型變頻調速系統，通過直接調節接入高壓電機定子繞組的電源頻率和電壓來實現電動機轉速的調節從而達到節能的目的。它是集大功率電力電子控制技術、微電子技術、高速光纖通信技術、自動化控制技術和高電壓技術等多學科為一體的高新技術產品。該產品采用主流高性能專用雙DSP控制系統和大規模集成電路設計，通過精確的數字移相技術和波形控制技術實現了高壓電機的靈活調節和能耗控制。
3、PLC在國產高壓變頻器中的設計使用
3.1PLC主要邏輯控制
（1）用戶要求高壓變頻器在出現故障停機時能快速自動切換到工頻旁路運行，筆者給高壓變頻器專門配置了可以實現自動旁路功能的旁路柜，如圖1所示，K1～K4為手動操作刀閘，J1～J3為高壓真空接觸器。在變頻器發生故障時，旁路柜可以在幾秒內完成從變頻到工頻的轉換;而變頻器在工頻運行時，通過1個按鈕就可以實現變頻器從工頻到變頻的轉換。這樣的控制要求增加了變頻器整機控制邏輯的復雜性。

自動旁路柜控制邏輯簡要介紹如下：
變頻調速系統退出變頻轉工頻運行有兩種方式，一種是自動方式，一種是手動方式，選擇自動方式時，當變頻器發生停機故障時變頻器自動從變頻轉工頻;選擇手動方式時則需人工操作。
變頻調速系統退出工頻轉變頻運行也有兩種方式，一種是自動方式，一種是手動方式，選擇自動方式時，只需在控制柜上按一個按鈕，變頻器就自動完成從工頻轉變頻;選擇手動方式時則需人工操作.
（2）PLC控制系統原理圖
PLC主機選用輸入輸出點數48點，型號為FX2N-48MR，PLC作為系統邏輯量控制的控制核心，在自動旁路柜的邏輯關系控制中起著至關重要的作用。PLC控制系統原理圖如圖2所示。


圖2PLC控制系統原理圖
旁路柜的邏輯控制要求比較復雜，采用PLC控制，接線簡單，提高了可靠性;旁路柜的邏輯更改也變得很簡單，只需修改PLC梯形圖程序就可以了，很方便滿足用戶現場的控制要求。
（3）PLC功能指令實現高壓變頻器PID閉環控制
用戶現場對變頻器閉環控制提出的要求是:變頻器能夠根據用戶系統用水量的變化，自動調整變頻泵的轉速，實現管網恒壓供水;同時還可以在液晶屏上設定壓力目標值。
針對用戶的要求，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20mA。這樣通過讀取指令（FROM）和寫入指令（TO），以及PLC帶有的PID閉環控制功能指令（如圖3所示），就可以實現對用戶現場的管網水壓進行PID閉環控制。

圖3帶有的PID閉環控制功能指令的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，把反饋值用移動指令（MOV）存入PID指令中的D12數據地址里;把用戶的水壓設定值用移動指令（MOV）存入PID指令中的D10數據地址里;D200～D222保存PID的運行參數;D14為PID指令的運算值輸出，通過PLC的寫入指令（TO）把PID閉環運算結果D14寫入模擬輸出模塊，再通過模擬輸出模塊轉換成-10V～10V或者4～20mA的模擬信號送入高壓變頻器控制器進行頻率設定。
在進行PID運行參數設置時，P、I、D的參數設定尤其重要，其設定的好壞直接關系到管網水壓控制的好壞。P表示比例增益，設定范圍為0～99(%)，比例調節設定大，系統出現偏差時，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例增益，會造成系統不穩定;I表示積分時間，設定范圍為0～32767(*100ms)，積分時間越小，積分作用就越強，反之I越大則積分作用弱;D表示微分時間，設定范圍為0～32767(*10ms)，微分調節有超前的控制作用，合適的微分時間能改善系統的動態性能。
攀鋼污水處理廠供水管網比較龐大，管網水壓對水泵轉速的變化響應比較緩慢，因此PID的計算速度不能過快，即比例調節不能過快，否則如果管網水壓突然變化大時，變頻器的調節容易形成較長時間的振蕩。根據這一情況，如圖3所示，可以在PLC控制程序中加入PID間隔計算時間（T0）以及PID運算死區（M0），這樣就可以把PID的計算速度調節至與管網水壓變化速度相一致，避免管網水壓震蕩。
（4）PLC功能指令實現PLC與變頻器上位機通信
為了使變頻器上位機能對PLC進行顯示、報警及記錄，PLC還配置了通信模塊FX2N-232BD，實現與變頻器上位機的串口通信，通信編程指令如圖4所示。

圖4通信編程指令
PLCRS232串口通信可使用無協議（RS指令）或專用協議與上位機進行通信，本例中使用無協議與上位機進行通信，如圖四所示:D8120用于設定PLC通信格式，D50表示發送起始地址，K60表示發送字節數量，D150表示接收起始地址，K20表示接收字節數量。
4、結束語
高壓變頻器自動旁路柜采用PLC進行旁路邏輯控制，通過在攀鋼污水處理廠運行的智光高壓變頻器模擬故障說明，高壓變頻器自動旁路柜在從變頻轉工頻，工頻轉變頻的相互切換非常方便，能在10s以內完成，大大提高了水泵運行的可靠性。現場PID閉環控制效果非常理想，水壓波動非常小，波動在超過0.1kg時，變頻器能迅速調節轉速，把水壓控制在設定范圍內，調節轉速時不會產生任何振蕩。同時通過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視系統管網水壓及PLC各種狀態量。