大中型企业用PLC\变频器实现电气自动化控制的构想

摘要：石化产业是我国工业生产的支柱型产业，尤其是大中型石化企业在我国的国民生产总值中占有着极大的比重，随着电子计算机技术的普及，越来越多的技术化生产设备已经指向工业生产，为其带来更大的利益。PLC变频器技术对于大中型石化企业电气自动化管理与控制系统改造具有重要意义，能取得明显的技术经济收益。该文在对变频器应用与大中型石化企业生产关联性分析的基础上，介绍了西门子S7系列变频器的实际应用。

关键词：大中型企业　PLC　变频器　电气自动化控制

中图分类号：TP2　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)003－031－03

中国石化类企业的生产与技术改造有着其特殊性，石化工程设备要求严格、工作量大、流程复杂，尤其是风机和水泵是石化开采必不可少的重要设备。塔底相关物料经由泵体作用入节流阀再入塔内，这个过程中，节流阀起到了对液面控制信号的输出与警示作用。无论是塔底的水泵，还是塔顶工作的风机，其能源消耗巨大，于是在大力提倡“节能减排”的今天，PLC及变频器在石化企业中的大规模应用已经越来越受到广泛重视。

1、变频器应用于大中型石化企业的可行性分析

变频器实际上是通过连通或切断电力半导体器件来实现工频电源变化的一种工业控制产品，可以利用PLC编程实现。PLC及变频器之所以适合应用于我国大中型石化企业，主要取决于其自身特有的技术特点：

1.1　节能效果显著

变频器根据负载的范围和需求设定，具有对负荷匹配及电机转速自动调节的作用，从而大大的降低石化企业各生产运营设备的能量耗费，获得良好的节能效果。根据流体学相关理论知识可知，系统能耗与电机的转速存在着立方关系。，假设电机实际运行转速达到80％的额定转速，那么经计算获得系统功耗可降低到(0.8)3，约为50％，效果显著。

1.2 对电网冲击小

变频器对电机的启动方式为软启动，并且可以通过PLC针对电机现场工作的启动时间曲线编辑输出，使得负载后的电机能够很好的匹配工艺及负载要求，且启动时无冲击电流发生，能够很好的保护电网安全运行，同时延长电网的使用寿命。

1.3　输入谐波小

随着变频技术的不断革新，目前多数变频器已经可以达到在使用时对同一电网中的其它电气设备不产生谐波干扰的技术水平。不仅如此，一些变频设备还具有防止自身与其它变频调速装置之间可能产生串并联干扰的功能，大大减轻了用户另配谐波治理装置的负担。

1.4　维护便捷，可靠安全

单元模块化是变频器的一大技术特点，该特性更利于变频器的后期维护与维修。另外，单元模块的驱动与保护均使用高可靠性驱动电路，相关的电子元件经过高温老化实验验证，因而具有较好的安全性能。

1.5　单元旁路故障提醒

当变频器某功率单元出现故障时，该功能可启动故障报警信号，通过相应的通讯电路使信息到达主控系统。再由主控系统进行故障信号的分析与故障种类的判断，并在最短的时间内调节整个系统内的各类信号，同时旁路切断相应的故障单元，保证整个系统持续正常运转。当然，特殊情况下可能因旁路影响过大而造成系统减额运行，但无论如何，通过变频器可保障系统不至于因某功率单元的故障而全面瘫痪，影响生产。

2、应用PLC及变频器实现石化企业电气自动化

目前在发达国家，变频技术已经趋于成熟，并被广泛应用于各种领域。在我国，随着越来越多新型电力电子设备的不断研发与上市，新的变频技术与设备也在不断涌现，为大中型石化企业实现电气自动化提供了有利的市场环境。同时，有效的结合PLC与变频技术，对于大中型石化企业电气自动化的应用也起到积极意义。

(1)以往凡功率达到200KW的电机设备，绝大多数采用高压供电形式，不仅危险性大，操作安装不便，对于检修、维修、设备更新等都存在着诸多不便。但是采用PLC配合变频器工作后，可有效降低工作电压，使其从高压转变为低压供电，大大提高了工作效率，一般情况下，500KW以下的电机，可以考虑全部采用低压变频设备：500KW以上电机再选择采用中高压变频。

(2)传统的电机控制流程是“电网控制柜空气开关接触器热保护电机”，而采用PLC结合变频器控制，可以有效减少环节节点，缩短流程，完成“电网变频柜空气开关变频器电机”的简化操作，一方面节约了很多元部件的采购、装配、使用与维护工作，大大节省了人力、物力、财力，另一方面可大大提高整个系统的运转效率，提高石化企业的生产利润。另外，目前我国变频技术正在走着一条不断创新与成熟的道路，随着新产品不断占领市场，变频设各的市场价位也在持续降低，这样大大节省了整个系统的成本费用。PLC作为与变频器相适应的程序系统，具有启动、暂停、调速、仪表自动控制等功能，便于操作，能够根据工程需求随时调整变频器的使用。

(3)石化企业具有连续性的生产特点要求企业生产设备要在需求时间内不间断工作，一旦出现故障而导致整个线路瘫痪，将严重影响企业的生产目标及产量。停电是生产线中最易造成企业大规模损失的主要自然因素之一，停电势必使生产不得不中断，且可能因停电瞬间电流过大而造成设备的损伤，给企业带来巨大经济损失。以往为避免停电的发生，企业多采用A、B两台电机交替使用的方法，这就要求A、B电机在电网的不同的网段上。但此方法一旦电机需检修或出现故障，仍然不可避免生产的停转。采用合理的变频控制，可以在电网两段各安排一台变频器，并用A、B变频器各自带动3-4台相同功率但位号不同的电机设备，分别作为主电机和备用设备。在主电机需要进行维护检修时，可以及时打开备用电机供电；而当主变频器出现故障或需要维护检修，可以暂时将负荷全部转向另一段进行短时运行，直接更换有问题的变频器，有效保障了生产的正常进行。

(4)利用PLC或操作室电脑的程序化、界面化控制，可实现自动或手动启动、停止、控制故障元件切断或复位。传统方式需采用操作柱和检查电流表，浪费人力物力，而采用PLC与变频器的有效结合则能够将电流等相关信息集中于PLC或操作室电脑系统上呈现，一目了然，有利于管理者迅速判断并提出处理意见，并以最快的速度通过系统指令实现。为预防生产现场发生紧急情况可能对电机产生的影响，可在装置现场中加装一个急停按钮，多台电机设备可选取每个区域内集中安装。

(5)大中型石化企业生产规模大、设备多、生产目标高，要想有效实现电气自动化，必须选用大型的PLC完成变频器及生产控制，并实现对生产管理与控制更加有效的多种操作形式。CPU单元是PLC的重要组成部件，也是PLC的“主脑”，大型的PLC系统需要其主CPU下带有多个分CPU单元，并利用集成控制方法，达到指令传达、输送、接收、反馈、分析等

功能，全面实现自动化。西门子S7系列400 PLC及400 PLC以上的相关设备即可实现以上生产需求，可作为大中型石化企业电气化控制系统的首选。

(6)双CPU冗余。使两块CPU均在整个系统中运行，一场被设定为主控模式，另一块被设定为备份模式。两块CPU相互监视对方的工作状态，当一块CPU出现故障时，另一块CPU会立即监视到此信息并通过网络向操作台报告，会立即起用另一块CPU进入主控模式。如图1。

3、西门子S7 PLC变频器在大中型石化企业中的应用

变频器可根据生产现场需要调节电源频率，使电机设备在根据不同的速度运行进能够保持工频运行时的性能，而这一切在PLC显示终端屏幕上就可以轻松调节。随着对实际应用需求的加大以及对电机变频相关因素的要求多样化，变频器的开发与生产也向着多极化方向发展。S7系列PLC由西门子生产，其400 PLC及400以上PLC可针对我国大中型石化企业生产规模及生产要素实现系统性管控及优化。为进一步降低成本、全面提高大中型石化企业的生产效率及产品利润，在PLC变频器实际设置与操作过程中应注意以下几点。

(1)响应石化企业的自身特点，采用CPU冗余配置，在分配主、辅CPU的同时，将各CPU按功能性分配，当主CPU获得数据并进行预处理时，能够针对各辅CPU的不同功能性特点进行数据分配，使信息处理分工明确，有效提高系统运行速率，信息转换更及时。

(2)S7系列PLC应设置并调试为更全面的现场应用功能。一方面，要通过PLC编程技术实现了工艺过程、仪表测量、电气设备、故障处理等方面的自动化操作与运行；另一方面，整个系统要能够就流量统计、阀门开关、温度保护、压力控制等通过计算机处理实现界面化显示与操作，通过PLC编程将数据图形化，从而提高人机互动性，简化操作流程：同时，系统还应实现故障报警、复位等功能性自动处理。

(3)S7系列应具有更强的抗干扰能力。在原有变频器的谐波抗扰功能基础上，应进一步根据生产现场的特点完善PLC程序布局，使谐波效应达到最佳抗干扰效果；还有，变频柜的布局同样重要，其决定了变频设备之间的干扰性及干扰能力，成为影响生产的一个重要因素。在设计施工时，应保持PLC与变频柜之间一定的距离，但距离不可过远，以免信息传播及操作不便。为避免变频器因晃电而造成停机，可考虑将启动模式设置为自动启动。另外，如想进一步加强变频器的抗干扰能力，可适当加装电抗器、滤波器等。

(4)注意变频器的安装与维修细节。变频器虽然可以靠墙安装，但考虑到供电和设备进出线的灵活性，采用成柜安装，形成规模化；接地时应采用等电位连接方式，总体布接地网；S7系列PLC装有干式变压器，在维修时较为方便；进行功率单元维修时，可将抽屉式模块化设计的单元从整机上取出，普通电器技术人员即可迅速的维修更换。

4、结语

石化产业是我国工业生产的支柱型产业，尤其是大中型石化企业在我国的国民生产总值中占有着极大的比重，石化企业虽为重工业企业，但随着电子计算机技术的普及，越来越多的技术化生产设备已经指向工业生产，为其带来更大的利益。因此选取适合于自身发展的电气自动化改造方法，对于有效降低石化企业成本、提高劳动生产率起到至关重要的作用。PLC变频器技术对于大中型石化企业电气自动化管理与控制系统改造具有重要意义，能取得明显的技术经济收益，值得广泛推广与应用。

注释：

①孙晓娜，杨海霞.变频器的现状及其未来的技术发展[J].技与生活，2010，(16)：17-18.

②仲明振，赵相宾.低压变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，2009：112.

③吴亦朋，车慧明，赵晓阳.高压变频器在化工装置的应用[J].辽宁化工，2010，39(6)：670-672.

④王成飞.变频器技术现状及未来发展与需求分析[J].中国新技术新产品，2010，16：120.

⑤王跃军，连书耀.变频器应用中的常见问题及注意事项[J].河南化工，2005，22(11)：30-31.

⑥吴兆达.变频器在工厂中的应用[J].自动化应用，2010，(7)：27-29.

⑦李敏，陈其工，江明.基于零矢量插入的矢量细分的PMSM直接转矩控制研究[J].安徽工程科技学院学报(自然科学版)，2009，(1)：32.

⑧冯平.西门子变频器制动电阻控制器的加装[J].科技信息，2010.23：95.

⑨满海波.S7-300PLC、MM440交频器在电镀专用行车中的应用[J].电工技术，2009，5(19)：19-21.

⑩杨维剑，王海英.变频器在机油泵测试系统中的应用[J].河北软件职业技术学院学报，2010，(IO)：59-61.

木合亚提・伊克山.变频器闭环控制实验系统[J].实验技术与管理，2010，(3)：65-67.