1、1第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.1 控制概述控制概述1.控制系统控制系统由主控制器（由主控制器（CPU）、人机界面（嵌入式工控机）、）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三三大部分组成大部分组成。三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面。三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及和主控制器及PLC之间均采用之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为公进行数据通讯，通讯协议为公司内部的自定义协议。主控制器和司内部的自定义协议。主控制器和PLC之间采用之间采用I/O接口及模拟信号接口及模拟信号线建立简单通讯。线建立简单通讯。2.主控制器从人机界面或主控制器
2、从人机界面或PLC接收控制指令，对所有功率单元实施控制，接收控制指令，对所有功率单元实施控制，同时监控各功率单元的状态，送给人机界面进行状态显示，通知同时监控各功率单元的状态，送给人机界面进行状态显示，通知PLC实施系统保护。实施系统保护。3.人机界面为变频器提供的人机接口界面，变频器参数设定、功能设定、人机界面为变频器提供的人机接口界面，变频器参数设定、功能设定、故障查询、运行记录都通过人机界面来实现。故障查询、运行记录都通过人机界面来实现。4.PLC负责对变频器负责对变频器内部内部故障状态进行监控，同时和工业现场进行接口故障状态进行监控，同时和工业现场进行接口（外部外部），使变频器满足各种
3、现场的不同控制要求。），使变频器满足各种现场的不同控制要求。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 控制柜5.上下位机分工。上下位机分工。上位机一般是集中管上位机一般是集中管理，是监控机。下位机是现场直接控制，理，是监控机。下位机是现场直接控制，是控制机。上位机面向管理级用户，下是控制机。上位机面向管理级用户，下位机面向底层设备控制。位机面向底层设备控制。高压变频器中，高压变频器中，PC机（人机界面）为上机（人机界面）为上位机，位机，PLC、变频器、变频器CPU为下位机。远为下位机。远程控制时，程控制时，DCS为上位机。为上位机。2.由于采用了通讯方式，可以通过由于采用了通讯方式，可以通过P
4、C机机来方便地进行组态和系统维护，包括上来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。传、下载、复制、监控、参数读写等。通讯信号流程图第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路3.2 控制器控制器变频器的控制电路就是对变频器的控制电路就是对变频器进行控制的电路。变频器进行控制的电路。控制电路的原理和低压变控制电路的原理和低压变频器基本相同。都包括控频器基本相同。都包括控制核心（制核心（CPU）、过压、）、过压、过流、过载、过热等保护过流、过载、过热等保护电路；电路；IGBT驱动电路；驱动电路；外接端子的接口电路；和外接端子的接口电路；和PLC、DCS通讯接口；通讯接口；低压
5、电源等。低压电源等。和低压变频器不同的是：和低压变频器不同的是：高压变频器因为体积大，高压变频器因为体积大，信号的连接是个突出的问信号的连接是个突出的问题，一般都用光纤。而光题，一般都用光纤。而光纤又有一个接口问题，所纤又有一个接口问题，所以高压变频器控制电路复以高压变频器控制电路复杂，故障率较高。杂，故障率较高。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.2 控制器控制器 控制柜控制柜 控制器控制器第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路控制器控制器硬件硬件信号流程图框图信号流程图框图CPU第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路3.2.1 主控板（主控板（CPU）主控板主要由处理器、主控
6、板主要由处理器、程序存储器、参数存储器、程序存储器、参数存储器、CPLD（逻辑数字集成电（逻辑数字集成电路路）、）、FPGA（现场可编（现场可编程门阵列程门阵列）、及）、及RS485等接口芯片组成。等接口芯片组成。主控板通过串行口或主控板通过串行口或接口板，接收和处理来自接口板，接收和处理来自工控机及工控机及PLC的控制命令，的控制命令，同时向外发送自身的状态同时向外发送自身的状态信息。信息。主控板同时产生每相主控板同时产生每相各级功率单元的触发脉冲。各级功率单元的触发脉冲。采集和处理所有功率采集和处理所有功率单元反馈回来的故障信息，单元反馈回来的故障信息，通知人机界面进行故障记通知人机界面进
7、行故障记录，通知录，通知PLC实施系统的实施系统的报警和保护报警和保护。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路3.2.2 光纤板光纤板光纤板的作用是光纤板的作用是将主控板将主控板对功对功率单元的控制信号（触发脉冲、率单元的控制信号（触发脉冲、旁路控制信号、脉冲封锁信号等）旁路控制信号、脉冲封锁信号等）进行转换，变成串行的光信号通进行转换，变成串行的光信号通过光纤输出给功率单元。过光纤输出给功率单元。将将功率单元传送过来的光信号转换功率单元传送过来的光信号转换为电信号（主要是功率单元的故为电信号（主要是功率单元的故障信息），并进行串行到并行的障信息），并进行串行到并行的转换，传递给主控板处理。
8、转换，传递给主控板处理。光纤板同时对通讯进行检测，光纤板同时对通讯进行检测，无法建立通讯时报告通讯故障。无法建立通讯时报告通讯故障。光纤板上包含多个单元电路，光纤板上包含多个单元电路，各单元电路功能相同，相互独立，各单元电路功能相同，相互独立，每个单元电路负责和一个功率单每个单元电路负责和一个功率单元通讯。元通讯。接口接口接头接头第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路功率单元的光纤接口功率单元的光纤接口第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路3.2.3 3.2.3 信号调整板信号调整板1.1.作用作用信号调整板负责控制器和外信号调整板负责控制器和外部接口信号的处理。部接口信号的处理。输入电压
9、、输入电流、输输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、出电压、输出电流、PLCPLC的的420mA420mA信号等的模拟信号传信号等的模拟信号传输处理。输处理。控制器输出给控制器输出给PLCPLC的接点的接点信号、由信号、由PLCPLC来的接点信号来的接点信号等数字信号的传输处理。等数字信号的传输处理。2.2.结构结构 有的信号调整板自含有的信号调整板自含CPUCPU，对模拟量进行采集，采集结对模拟量进行采集，采集结果通过数据通讯方式传递给果通过数据通讯方式传递给主控板，再由主控板通过通主控板，再由主控板通过通讯方式传递给人机界面进行讯方式传递给人机界面进行记录和显示记录和显示。接收来自控制器
10、的对外部的控制接收来自控制器的对外部的控制信号，处理后输出给各受控电路信号，处理后输出给各受控电路第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.2.4 电源板电源板 电源板主要给主控制箱电源板主要给主控制箱提供控制电源。提供控制电源。由于控制箱采用了多由于控制箱采用了多路不共地的路不共地的5V电源，电源，电源板上有电源板上有3个个5V电源电源模块，一个正负模块，一个正负15V模模块。块。24V为备用电源，为备用电源，一般不连接。一般不连接。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路3.2.5 通讯板通讯板变频器人机界面需要和主控变频器人机界面需要和主控板、板、PLC、上位机、温度采、上位机、温度
11、采集模块（集模块（7033）等进行数据）等进行数据通讯，通讯协议又有通讯，通讯协议又有RS422、RS485等多种，人机界面又等多种，人机界面又有操作面板、工控机、有操作面板、工控机、UNO（通用网络对象（通用网络对象）、嵌入式）、嵌入式等不同种类。等不同种类。通讯接口板的主要功能是通讯接口板的主要功能是对这些不同的接口进行配置，对这些不同的接口进行配置，变频器内外的各种接口都连变频器内外的各种接口都连接到通讯接口板，再通过通接到通讯接口板，再通过通讯接口板统一连接到人机界讯接口板统一连接到人机界面，从而简化人机界面对外面，从而简化人机界面对外的通讯连线（的通讯连线（总接口板）。总接口板）。通
12、讯接口输入口第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.3 人机界面（上位机）人机界面（上位机）人机界面老式变频器为操作面板，功能和低压变频器相同。可以进行人机界面老式变频器为操作面板，功能和低压变频器相同。可以进行变频器的操作、调频、参数预置等。变频器的操作、调频、参数预置等。新式变频器人机操作界面为嵌入式工控机，内设新式变频器人机操作界面为嵌入式工控机，内设CPU，可进行变频，可进行变频器参数设定、功能设定、故障查询、故障显示、运行记录等都可通过器参数设定、功能设定、故障查询、故障显示、运行记录等都可通过嵌入式工控机来实现。嵌入式工控机来实现。在控制状态下，变频器可以通过嵌入式工控机提供
13、的界面直接进行启在控制状态下，变频器可以通过嵌入式工控机提供的界面直接进行启动、停机、调频等操作。动、停机、调频等操作。正常情况下，控制器、嵌入式工控机和正常情况下，控制器、嵌入式工控机和PLC之间建立有实时通讯。之间建立有实时通讯。上位机上位机第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 人机界面参数设置人机界面参数设置：第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 人机界面故障显示：人机界面故障显示：第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.4 PLC 3.4.1 PLC功能功能 1.PLC是高压变频器的一个内置组件，是重要的组成部是高压变频器的一个内置组件，是重要的组成部分。进行工频分。进行
14、工频变频切换（变频切换（旁路柜旁路柜），远程控制、），远程控制、PID控控制、通讯控制等。这些工作非常适合制、通讯控制等。这些工作非常适合PLC来做，所以把来做，所以把PLC内置到变频器的控制柜中，内置到变频器的控制柜中，作为变频器的一部分。作为变频器的一部分。2.PLC根据系统要求，通过编制程序来完成相关功能的根据系统要求，通过编制程序来完成相关功能的实现。主要功能如下：实现。主要功能如下：系统逻辑控制：系统逻辑控制：系统通过系统通过PLC的逻辑判断来给出系统的逻辑判断来给出系统相关状态的标志位，如系统就绪，高压合闸允许、高压已相关状态的标志位，如系统就绪，高压合闸允许、高压已合、请求运行以
15、及系统运行中等。合、请求运行以及系统运行中等。故障保护：故障保护：通过读取主控器通过读取主控器DSP（CPU）中的故障信）中的故障信息来将系统中的信息在息来将系统中的信息在HMI（人机界面）上作出显示，（人机界面）上作出显示，遇到重故障信息，迅速断开高压变频器前端的遇到重故障信息，迅速断开高压变频器前端的断路器断路器来切来切断设备的断设备的电源电源，对系统进行保护。，对系统进行保护。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路系统数据读取系统数据读取：利用：利用PLC上的上的RS485通讯来和通讯来和DSP进进行通讯，通过查询的方式来读取系统运行时的电流、电压、行通讯，通过查询的方式来读取系统运行
16、时的电流、电压、频率等数值以及对整个系统进行参数设定。频率等数值以及对整个系统进行参数设定。其他功能其他功能：该功能中包括事件记录显示、：该功能中包括事件记录显示、PID功能调节、功能调节、系统温度显示等。系统温度显示等。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 4.PLC控制常见故障控制常见故障 因为变频器安装调试完毕，已经是一台完备的控制系统，因为变频器安装调试完毕，已经是一台完备的控制系统，PLC作为其中的一个工作部件，其故障多为硬件和外围电作为其中的一个工作部件，其故障多为硬件和外围电路有问题。路有问题。PLC的输出触点当频繁的接通电感性负载，可造成触电损的输出触点当频繁的接通电感性负
17、载，可造成触电损坏失效；连接导线接触不良、松动；通讯接口接触不良，坏失效；连接导线接触不良、松动；通讯接口接触不良，通讯时通时断；变频器出现了干扰，使通讯时通时断；变频器出现了干扰，使PLC出现误动作等。出现误动作等。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3.4.2 PLC 应用举例应用举例 案例案例1 工频工频变频切换变频切换下图为变频器的两种切换方式：下图为变频器的两种切换方式：1）手动切换）手动切换 K1K4手动隔离开关，手动隔离开关，6KV断电后手动切换。断电后手动切换。2）自动切换自动切换 由由PLC控制控制J1、J2、J3切换。切换。J1、J2、J3为真空为真空接触器，当变频器
18、出现问题时，在几秒钟内将电动机切换到工频。接触器，当变频器出现问题时，在几秒钟内将电动机切换到工频。本例采用三菱本例采用三菱FXN48MR型型PLC，功能端子见下图。，功能端子见下图。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 2.通讯控制通讯控制（PLC与变频器上位机通信与变频器上位机通信）1）PLC配用通讯模块，可使变频器上位机对配用通讯模块，可使变频器上位机对PLC进行显进行显示、报警、记录等通讯控制。本例配用示、报警、记录等通讯控制。本例配用FX2N-232BD通通讯模块，实现与变频器上位机的串口通信。讯模块
19、，实现与变频器上位机的串口通信。2）PLC 的的RS232串口通信可使用串口通信可使用RS指令（指令（RS指令是指令是自定的通讯规约自定的通讯规约）或专用协议与上位机进行通信，本例）或专用协议与上位机进行通信，本例中使用无协议与上位机进行通信（如下图），中使用无协议与上位机进行通信（如下图），D8120用用于设定于设定PLC通信格式，通信格式，D50表示发送起始地址，表示发送起始地址，K60表示表示发送字节数量，发送字节数量，D150表示接收起始地址，表示接收起始地址，K20表示接收表示接收字节数量。字节数量。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 案例案例2 东方日立高压变频器东方日立高压
20、变频器PLC通讯控制风机应用通讯控制风机应用 1.东方日立高压变频器在高炉煤气发电机组送、引风机东方日立高压变频器在高炉煤气发电机组送、引风机系统上的应用及节能计算。系统上的应用及节能计算。该系统采用上、下位机主从式结构，该系统采用上、下位机主从式结构，PLC作为下位机通过作为下位机通过 Modbus通信方式，完成工业现场数据的实时采集；上通信方式，完成工业现场数据的实时采集；上位机采用工业控制计算机，与位机采用工业控制计算机，与PLC之间通过工业以态网通之间通过工业以态网通讯方式，实现高压变频器在运行过程中的实时讯方式，实现高压变频器在运行过程中的实时 数据显示、数据显示、故障报警等各项功能
21、。故障报警等各项功能。同时，上位机又作为数据服务器，通过同时，上位机又作为数据服务器，通过dde方式（动态数方式（动态数据交换据交换）为节能软件提供实时数据，以助节能软件完成数为节能软件提供实时数据，以助节能软件完成数据计算、动态曲线显示。据计算、动态曲线显示。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 2 系统硬件配置系统硬件配置 送、引风机高压变频通讯系统的硬件配置：送、引风机高压变频通讯系统的硬件配置：1）数据采集）数据采集。为深圳亚特尔公司的。为深圳亚特尔公司的MDM3000数据采数据采集器，实现变频器输入电压、输入电流等集器，实现变频器输入电压、输入电流等电力数据采集电力数据采集。2）
22、PLC。为。为单元控制柜内的西门子单元控制柜内的西门子S7-200系列系列CPU226 PLC，配西门子，配西门子CP243-1工业以太网通讯模工业以太网通讯模块。块。3）工控机。）工控机。为研华为研华IPC-610H原装工控机，主要配置：原装工控机，主要配置：CPU2.8G/256M（内存）；（内存）；80G硬盘；集成显卡；另硬盘；集成显卡；另置网卡；置网卡；50倍光驱；倍光驱；1.44M（软驱）等。（软驱）等。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路送、引风机高压变频装置通讯系统框图送、引风机高压变频装置通讯系统框图第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 3 系统软件基本原理及组态系统软
23、件系统软件基本原理及组态系统软件 工控软件：组态王工控软件：组态王kingview5.1；用于用于S7-200编程软件的编程软件的step7-microwin4.0；用于实现节能计算的自主研发的软件。用于实现节能计算的自主研发的软件。送、引风机高压变频装置系统以送、引风机高压变频装置系统以 PLC为通讯管理中心为通讯管理中心的通讯系统的地址分配见附表。的通讯系统的地址分配见附表。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 4.组态王组态王kingview5.11）组态王）组态王 组态王是运行于组态王是运行于 windows98/2000/nt/xp中文平台
24、中文平台界面的界面的人机界面软件人机界面软件。采用了多线程、。采用了多线程、com组件等新技组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。软件包从工术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。软件包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。其功能业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。其功能为：为：把采集到的数据的变化以动画的方式形象地表示出来。把采集到的数据的变化以动画的方式形象地表示出来。完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需要生成历史数据文件。实际需要生成历史数据文件。该例中组态王的主画面如下图所示。该例中组态王的
25、主画面如下图所示。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路2）组态王特点）组态王特点为实现组态为实现组态 王和外部设备的王和外部设备的通讯，组态王内置大量设备通讯，组态王内置大量设备的驱动程序作为组态王和外的驱动程序作为组态王和外部设备的通讯接口，扩充了部设备的通讯接口，扩充了组态王的功能，为用户提供组态王的功能，为用户提供更为灵活的应用空间。在数更为灵活的应用空间。在数据交换时，据交换时，我们定义组态王我们定义组态王作为作为dde服务器端，与采用服务器端，与采用java软件开发的节能计算软软件开发的节能计算软件相互通讯。通过件相互通讯。通过dde方式方
26、式用户自编的应用程序可以与用户自编的应用程序可以与组态王无缝连接，进行数据组态王无缝连接，进行数据交交 换。节能计算软件的主画换。节能计算软件的主画面如图所示。面如图所示。引风机高压变频装置节能计算软件的主画面引风机高压变频装置节能计算软件的主画面第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路5.PLC基于基于step7-microwin4.0 编程软件的变频器启、编程软件的变频器启、停流程图停流程图s7-200 中中plc程序程序用用step7-microwin4.0软件软件进行编写，进行编写，plc程序程序将将modbus协议、协议、tcp/ip工业以太网协工业以太网协议两种协议集于一身，议两种
27、协议集于一身，实现变频器现场数据实现变频器现场数据采集设备、上位监控采集设备、上位监控设备的无缝连接设备的无缝连接第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 6.自主研发的实现节能计算软件自主研发的实现节能计算软件节能计算软件为日立北京公司自主研发，该软件实现两方节能计算软件为日立北京公司自主研发，该软件实现两方面的功能：面的功能：获取组态王数据；获取组态王数据；对获取的数据进行计算并以趋势曲线的方式加以显示。对获取的数据进行计算并以趋势曲线的方式加以显示。根据机组送、引风机工频运行工况数据，得到通过调节出根据机组送、引风机工频运行工况数据，得到通过调节出口挡板改变风量的工频运行曲线；口挡板改变
28、风量的工频运行曲线；再根据实时监控得到机组送、引风机在变频运行工况下再根据实时监控得到机组送、引风机在变频运行工况下的运行曲线，然后将两条曲线制作到同一坐标平面下，这的运行曲线，然后将两条曲线制作到同一坐标平面下，这样非常直观地得到节能数据，并对采集到的原始及节能数样非常直观地得到节能数据，并对采集到的原始及节能数据进行记录保存于工控机的硬盘上。据进行记录保存于工控机的硬盘上。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路 7.应用情况应用情况送、引风机高压变频装置系统自送、引风机高压变频装置系统自2008年年4 月投运以来，月投运以来，启、停及智能监控性能优良。操作员从炉控室组态王监视启、停及智能
29、监控性能优良。操作员从炉控室组态王监视画面可以实时监控送、引风机高压变频装置的输入电压、画面可以实时监控送、引风机高压变频装置的输入电压、输入电流、输入功率等数据，大大减输入电流、输入功率等数据，大大减 少了运行人员现场少了运行人员现场抄录设备运行数据的工作量；另外非常直观地得到送、引抄录设备运行数据的工作量；另外非常直观地得到送、引风机高压变频装置系统的节能情况。送、引风机高压变频风机高压变频装置系统的节能情况。送、引风机高压变频装置系统微机化、数字化更是提装置系统微机化、数字化更是提 高了系统的安全可靠性，高了系统的安全可靠性，有效地避免了机组送、引风机电动机以及电网所承受的冲有效地避免了机组送、引风机电动机以及电网所承受的冲击，延缓了电动机及拖动设备的使用寿命，深受用户好评。击，延缓了电动机及拖动设备的使用寿命，深受用户好评。第第3章章 变频器控制电路变频器控制电路
