程玉龍

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，大功率變頻器技術(shù)逐漸成熟，同時(shí)礦山生產(chǎn)對能耗控制的需求越來越大，變頻器在煤礦主要通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用日益廣泛。在構(gòu)建礦山主要通風(fēng)機(jī)站監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，如何設(shè)計(jì)PLC 或其它主控制器與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到監(jiān)測監(jiān)控目的，成為新的課題。通過合理架構(gòu)主控制器與變頻器的數(shù)據(jù)交換及控制方式，可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、工作可靠，進(jìn)而提高生產(chǎn)監(jiān)控的安全性[1-4]。

1 變頻器常見控制方式

變頻器的基本原理是將輸入的三相工頻交流電先整流成直流電壓，然后通過逆變電路等處理，將直流電壓逆變?yōu)轭l率、電壓可控的交流電波形，進(jìn)行輸出，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

變頻器一般有多種頻率控制方式，大體可分為下面5 種：

1）通過控制面板上的電位器對運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂泼姘迳蠋в? 個旋鈕，其內(nèi)部是1 個電位器，對旋轉(zhuǎn)按鈕的調(diào)整實(shí)質(zhì)上是改變電位器輸出阻值的大小，采樣及控制電路即依據(jù)阻值的變化調(diào)整變頻器的輸出頻率。

2）通過控制面板上的UP、DOWN 按鈕進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。在變頻器運(yùn)行時(shí)，使用其控制面板上的UP 鍵增加輸出頻率，DOWN 鍵降低輸出頻率。

3）通過控制自定義開關(guān)量接口端子進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。開關(guān)量輸入端子接受干觸點(diǎn)信號，通過不同觸點(diǎn)的閉合、斷開，設(shè)置不同的輸出頻率。具體有2 種頻率調(diào)節(jié)方式：1 種是段速調(diào)節(jié)，即預(yù)設(shè)不同的頻率定值，端子上輸入不同的邏輯組合，選擇不同的頻率定值輸出；1 種是端子控制頻率增減，通過端子閉合時(shí)間的長短，決定頻率的增減量。

4）通過485 總線進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。在變頻器運(yùn)行過程中，通過RS485 總線讀寫對應(yīng)的寄存器地址，寫入頻率值，變頻器即輸出對應(yīng)的頻率。

5）通過模擬量端子進(jìn)行頻率設(shè)定。在變頻器的模擬量輸入端子上輸入不同的模擬量，如0～10 VDC 電壓信號、0～20 mADC 電流信號、不同頻率的脈沖信號等對變頻器的輸出頻率進(jìn)行設(shè)定，輸入信號是保持信號[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場情況

原主要通風(fēng)機(jī)站變電所內(nèi)設(shè)置有4 臺變頻器柜，分別控制主要通風(fēng)機(jī)的2 臺電機(jī)及備用通風(fēng)機(jī)的2 臺電機(jī)，變頻器柜的頻率調(diào)節(jié)方式是通過變頻器面板上的電位器旋鈕控制，控制則使用旋轉(zhuǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)的啟動、停止、反風(fēng)操作。旋轉(zhuǎn)開關(guān)位于右邊檔位是正常啟動通風(fēng)機(jī)；位于中間檔是停止運(yùn)行通風(fēng)機(jī)機(jī)；位于左邊檔位則是反風(fēng)運(yùn)行通風(fēng)機(jī)。此種變頻器的控制方式，即為二線制工作方式。其中變頻器柜面板上安裝有1 個三檔位的旋鈕組合開關(guān)，K1 和K2 作為組合開關(guān)上的2 組不同觸點(diǎn)，分別控制變頻器控制端的FWD 端子和REV 端子。因當(dāng)前控制方式無法滿足自動控制的要求，因此需要對變頻器的控制方式進(jìn)行改造，使其適應(yīng)具有無級調(diào)速功能的需求。

2.2 PLC 對變頻器頻率的控制

PLC 控制器可以提供常見的無源繼電器觸點(diǎn)輸出、RS485 總線通訊、模擬量輸出。對于面板控制的按鈕，旋鈕，由于沒有對應(yīng)接口，無法直接使用PLC控制器進(jìn)行控制。只有后3 種頻率調(diào)節(jié)方式可以由PLC 控制器進(jìn)行控制。

在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，影響風(fēng)量的因素很多，一般有風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系[7-10]，基于變頻器控制的主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般是通過微調(diào)電動機(jī)運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的控制。在監(jiān)測通風(fēng)量的同時(shí)，微調(diào)變頻器的運(yùn)行頻率，要求頻率的變化值小，以避免造成通風(fēng)量的劇烈波動。使用固定的頻率段來調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)電動機(jī)的運(yùn)行頻率并不方便，無法實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，因此，并不適合頻率段控制方式；使用RS485 通訊方式控制變頻器的運(yùn)行頻率則存在1 個問題：當(dāng)PLC 出現(xiàn)故障等情況，必須重新通過變頻器的控制面板設(shè)置運(yùn)行參數(shù)后，方可現(xiàn)場人工調(diào)整頻率，而一般的變頻器，正常運(yùn)行時(shí)改變頻率設(shè)置并不生效，必須在停機(jī)狀態(tài)設(shè)置控制方式，這給生產(chǎn)造成一定不便，在緊急情況下，是種隱患。而且，通過RS485 總線對變頻器進(jìn)行讀寫，需要合理調(diào)度讀寫時(shí)序，對讀寫時(shí)的通訊質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而增加程序編制復(fù)雜性；而使用模擬量對變頻器頻率調(diào)節(jié)，同樣存在一種隱患：模擬量需要一直輸入，PLC 控制柜如果突然斷電、異常，則將導(dǎo)致模擬量沒有輸出或者異常，給通風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來不確定因素，一旦出現(xiàn)問題，通風(fēng)機(jī)將無法正常運(yùn)行。

綜上，使用變頻器的開關(guān)量端子控制頻率增減方式，是比較好的選擇：①PLC 通過無源繼電器觸點(diǎn)控制變頻器，抗干擾能力強(qiáng)；②PLC 可以通過定時(shí)器給出精準(zhǔn)的繼電器閉合時(shí)間，調(diào)整頻率的步進(jìn)值一致性好；③PLC 的運(yùn)行與變頻器的工作關(guān)聯(lián)相對弱，只有調(diào)節(jié)頻率的時(shí)刻，才通過繼電器的閉合時(shí)間控制頻率，正常工作時(shí)，并沒有輸出；④端子可以引至開關(guān)柜面板按鈕上，在PLC 故障或不工作期間，操作員仍可手動切換頻率，并不影響正常生產(chǎn)，提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的容錯性，同時(shí)給檢修、測試帶來極大便利。

2.3 變頻器工況參數(shù)監(jiān)測

使用PLC 獲取變頻器的工況參數(shù)時(shí)，需要注意的是：變頻器的工況參數(shù)較多，如進(jìn)線電壓、輸出電壓、設(shè)置頻率、運(yùn)行頻率、輸出電壓、輸出電流、轉(zhuǎn)速、輸出功率等參數(shù)，尚有過流、過壓、欠壓、過載等故障，而變頻器的模擬量端子有限，一般只能提供運(yùn)行頻率等有限參數(shù)，并不能提供全面的參數(shù)，不便于掌握變頻器的主要工況，因此，主控制器使用RS485總線接口，讀取變頻器內(nèi)部寄存器，獲得工況參數(shù)比較適宜。

綜上所述，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如下設(shè)計(jì)：PLC 控制器與變頻器之間，劃分2 種數(shù)據(jù)交換通道。控制采用開關(guān)量控制，由PLC 控制器通過繼電器的無源觸點(diǎn)，操控變頻器的控制端子，實(shí)現(xiàn)控制功能；PLC 控制器通過RS485 總線，連接變頻器，根據(jù)通訊協(xié)議，讀取變頻器內(nèi)部寄存器以取得實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)。PLC與變頻器控制邏輯圖如圖1。

2.4 設(shè)備改造

改造需要綜合考慮控制方式是否可靠，所用材料是否節(jié)省，施工難度是否低。變頻器控制端子改造接線原理圖如圖2。

圖1 PLC 與變頻器控制邏輯圖Fig.1 Logic diagram for control the inverter

圖2 變頻器控制端子改造接線原理圖Fig.2 Changed wiring for control the inverter

在原變頻器柜體上開孔，增加4 個按鈕SB1～SB4，分別作為通風(fēng)機(jī)電機(jī)控制變頻器的合閘、分閘、運(yùn)行頻率增加、運(yùn)行頻率減少控制按鈕，其中分閘信號需要接按鈕的常閉觸點(diǎn)，其他控制接常開觸點(diǎn)。同時(shí)保留變頻器柜體上的原旋轉(zhuǎn)開關(guān)K2，將其作為正/反轉(zhuǎn)信號保持開關(guān)，開路作為正轉(zhuǎn)控制，閉合作為反轉(zhuǎn)控制。

按圖紙改造變頻器柜控制線路后，因?yàn)樗拥目刂贫俗影l(fā)生改變，需要找到變頻器設(shè)置菜單中的對應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行設(shè)置，以重新定義控制端子的功能，變頻器參數(shù)重新定義表見表1。

以上參數(shù)設(shè)置只涉及了本次監(jiān)控改造部分，未涉及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。變頻器的控制方式設(shè)置為三線制2，在該模式下，正反轉(zhuǎn)控制REV 端子使用保持信號，常開即為正轉(zhuǎn)，常閉即為反轉(zhuǎn)，使用原旋轉(zhuǎn)組合開關(guān)控制。

該變頻器的RS485 通訊支持2 種協(xié)議：ASCII字符串方式和標(biāo)準(zhǔn)的MODBUSRTU 方式。因?yàn)镻LC開發(fā)程序中，MODBUSRTU 方式較為常見且容易實(shí)現(xiàn)，因此，將對應(yīng)的參數(shù)位設(shè)置為MODBUSRTU 工作方式。

表1 變頻器參數(shù)重新定義表Table 1 Redefining the parameters of the inverter

2.5 固件程序

因?yàn)镻LC 的一個工作特點(diǎn)是程序可以并行方式執(zhí)行。因此可以將RS485 通訊程序塊、數(shù)據(jù)解析程序塊、無級調(diào)速頻率控制塊編寫為相對獨(dú)立的模塊，而不必考慮其具體時(shí)序關(guān)系。

針對MODBUSRTU 通訊協(xié)議，固定的參數(shù)存儲在固定的寄存器內(nèi)，只需發(fā)送固定格式的讀取命令，讀取各寄存器里面的參數(shù)，然后按寄存器分配表進(jìn)行解析即可。

系統(tǒng)采用1 臺PLC 控制柜控制1 臺主要通風(fēng)機(jī)的方式，因此，PLC 需要與主要通風(fēng)機(jī)的1 級變頻器柜和2 級變頻器柜進(jìn)行通訊。因?yàn)? 臺變頻器的通訊方式都是只讀方式，通訊方式單一，宜使用分時(shí)間段定時(shí)輪詢的方式。預(yù)估正常通訊時(shí)間，然后加一定余量，以此為通訊周期，順序讀取2 臺變頻器的參數(shù)，即可完成變頻器的參數(shù)讀取。讀取變頻器的流程圖如圖3。

每次在RS485 總線上進(jìn)行設(shè)備的輪詢，都需要考慮通訊質(zhì)量問題，包括設(shè)備無應(yīng)答時(shí)間、設(shè)備不回復(fù)重新發(fā)送查詢命令次數(shù)、數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)不通過等異常情況。在保障數(shù)據(jù)讀取正確的情況下，使用盡量少的讀取次數(shù)可以提高通訊效率。MODBUSRTU通訊協(xié)議支持1 次讀取多個連續(xù)的寄存器，但不同廠家設(shè)備的通訊方式略有差異，讀取連續(xù)地址寄存器的位數(shù)不同。現(xiàn)場變頻器在每次RS485 通訊過程中，支持1 次讀取地址3000 寄存器至3014 寄存器共計(jì)15 個寄存器。這樣在PLC 程序的時(shí)序時(shí)序設(shè)計(jì)上可以1 次讀取所有需要的寄存器，從而使程序簡潔，減少RS485 總線上的輪詢時(shí)間。

圖3 讀取變頻器的流程圖Fig.3 Flowchart for reading the inverter

變頻器調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率的最小步長值是0.01 Hz，表1 中設(shè)置的的頻率跳動速率為1 Hz/s，則在頻率改變端子X2和X3上，每次輸出100 ms 的觸點(diǎn)閉合信號，即可以將變頻器當(dāng)前運(yùn)行的頻率值增加0.1 Hz。根據(jù)現(xiàn)場要求，改變變頻器運(yùn)行頻率的流程圖如圖4。

圖4 改變變頻器運(yùn)行頻率的流程圖Fig.4 Flowchart for changing the frequency of the inverter

3 結(jié) 語

使用PLC 控制器控制基于變頻器控制的主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，因地制宜，綜合考慮軟件和硬件的架構(gòu)方式，設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求的方案；對變頻器無級調(diào)速的需求，使用PLC 的定時(shí)器，配合開關(guān)量端子控制變頻器的頻率調(diào)節(jié)，可以獲得較為精確的頻率輸出；將變頻器的控制與參數(shù)讀取在數(shù)據(jù)流上進(jìn)行相對獨(dú)立，可以有效減少固件程序復(fù)雜性，減少故障幾率，提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是一種比較可靠的架構(gòu)方式。