第3章 变频器控制电路
• 案例2 东方日立高压变频器PLC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 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，PLC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 位机采用工业控制计算机，与PLC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 数据显示、 故障报警等各项功能。 • 同时，上位机又作为数据服务器，通过dde方式（动态数 据交换）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。
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• 2 系统硬件配置 • 送、引风机高压变频通讯系统的硬件配置： • 1）数据采集。为深圳亚特尔公司的MDM3000数据采 集器，实现变频器输入电压、输入电流等电力数据采集。 • 2）PLC。为单元控制柜内的西门子S7-200系列 CPU226 PLC，配西门子CP243-1工业以太网通讯模 块。 • 3）工控机。为研华IPC-610H原装工控机，主要配置： CPU2.8G/256M（内存）；80G硬盘；集成显卡；另 置网卡；50倍光驱；1.44M（软驱）等。
• 3.2.5 通讯板 • 变频器人机界面需要和主控 板、PLC、上位机、温度采 集模块（7033）等进行数据 通讯，通讯协议又有RS422、 RS485等多种，人机界面又 有操作面板、工控机、UNO （通用网络对象 ）、嵌入式 等不同种类。 通 • 通讯接口板的主要功能是 对这些不同的接口进行配置， 讯 接 变频器内外的各种接口都连 口 接到通讯接口板，再通过通 讯接口板统一连接到人机界 面，从而简化人机界面对外 的通讯连线（总接口板）。
通讯信号流程图
控制柜
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3.2 控制器 变频器的控制电路就是对 变频器进行控制的电路。 控制电路的原理和低压变 频器基本相同。都包括控 制核心（CPU）、过压、 过流、过载、过热等保护 电路；IGBT驱动电路； 外接端子的接口电路；和 PLC、DCS通讯接口； 低压电源等。 和低压变频器不同的是： 高压变频器因为体积大， 信号的连接是个突出的问 题，一般都用光纤。而光 纤又有一个接口问题，所 以高压变频器控制电路复 杂，故障率较高。
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• 4. 组态王kingview5.1 1）组态王 • 组态王是运行于 windows98/2000/nt/xp中文平台 界面的人机界面软件。采用了多线程、com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 业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。其功能 为： • ①把采集到的数据的变化以动画的方式形象地表示出来。 • ②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。 • 该例中组态王的主画面如下图所示。
主讲
王兆义
主办单位： 新疆博识通咨询有限公司 中国工业自动化培训网
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• 3.1 控制概述
1.控制系统由主控制器（CPU）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三 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 和主控制器及PLC之间均采用RS485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PLC之间采用I/O接口及模拟信
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送、引风机高压变频装置通讯系统框图
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• • • • • 3 系统软件基本原理及组态系统软件 ①工控软件：组态王kingview5.1； ②用于S7-200编程软件的step7- microwin4.0； ③用于实现节能计算的自主研发的软件。 ④送、引风机高压变频装置系统以 PLC为通讯管理中心 的通讯系统的地址分配见附表。
号线建立简单通讯。
2.主控制器从人机界面或PLC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PLC 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、 故障查询、运行记录都通过人机界面来实现。 4.PLC负责对变频器内部故障状态进行监控，同时和工业现场进行接口 （外部），使变频器满足各种现场的不同控制要求。
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• 3.2.2 光纤板 • ①光纤板的作用是将主控板对功 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） 进行转换，变成串行的光信号通 过光纤输出给功率单元。 ②将 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 障信息），并进行串行到并行的 转换，传递给主控板处理。 • ③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。 • ④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， 每个单元电路负责和一个功率单 元通讯。
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
第3章 变频器控制• 由于控制箱采用了多 路不共地的5V电源， 电源板上有3个5V电源 模块，一个正负15V模 块。 • 24V为备用电源， 一般不连接。
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输入口
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• 3.3 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 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CPU，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 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的界面直接进行启 动、停机、调频等操作。 • 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。
上位机
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• 人机界面参数设置：
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• 人机界面故障显示：
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• 3.4 PLC • 3.4.1 PLC功能 • 1. PLC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—变频切换（旁路柜），远程控制、PID控 制、通讯控制等。这些工作非常适合PLC来做，所以把 PLC内置到变频器的控制柜中，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 实现。主要功能如下： ①系统逻辑控制：系统通过PLC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 合、请求运行以及系统运行中等。 • ②故障保护：通过读取主控器DSP（CPU）中的故障信 息来将系统中的信息在HMI（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断路器来切 断设备的电源，对系统进行保护。
第3章 变频器控制电路
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• 2. 通讯控制（PLC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PLC进行显 示、报警、记录等通讯控制。本例配用FX2N-232BD 通讯模块，实现与变频器上位机的串口通信。 • 2） PLC 的RS232串口通信可使用RS指令（RS指令是 自定的通讯规约 ）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），D8120用 于设定PLC通信格式，D50表示发送起始地址，K60表示 发送字节数量，D150表示接收起始地址，K20表示接收 字节数量。
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5. 上下位机分工。上位机一般是集中管 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 位机面向底层设备控制。 高压变频器中，PC机（人机界面）为上 位机，PLC、变频器CPU为下位机。远 程控制时，DCS为上位机。 2.由于采用了通讯方式，可以通过PC机 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。
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③系统数据读取：利用PLC上的RS485通讯来和DSP进 行通讯，通过查询的方式来读取系统运行时的电流、电压、 频率等数值以及对整个系统进行参数设定。 • ④其他功能：该功能中包括事件记录显示、PID功能调节、 系统温度显示等。
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• 4.PLC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， PLC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。 • PLC的输出触点当频繁的接通电感性负载，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， 通讯时通时断；变频器出现了干扰，使PLC出现误动作等。
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• 3.2 控制器
控制柜
控制器
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控制器硬件信号流程图框图
CPU
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• 3.2.1 主控板（CPU） • ① 主控板主要由处理器、 程序存储器、参数存储器、 CPLD（逻辑数字集成电 路 ）、FPGA（现场可编 程门阵列 ）、及RS485 等接口芯片组成。 • ② 主控板通过串行口或 接口板，接收和处理来自 工控机及PLC的控制命令， 同时向外发送自身的状态 信息。 • ③ 主控板同时产生每相 各级功率单元的触发脉冲。 • ④ 采集和处理所有功率 单元反馈回来的故障信息， 通知人机界面进行故障记 录，通知PLC实施系统的 报警和保护。
接口
接头
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功率单元的光纤接口
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• 3.2.3 信号调整板 • 1.作用 • 信号调整板负责控制器和外 部接口信号的处理。 • ①输入电压、输入电流、输 出电压、输出电流、PLC的 4~20mA信号等的模拟信号传 输处理。 • ②控制器输出给PLC的接点 信号、由PLC来的接点信号 等数字信号的传输处理。 • 2. 结构 • 有的信号调整板自含CPU， 对模拟量进行采集，采集结 果通过数据通讯方式传递给 主控板，再由主控板通过通 讯方式传递给人机界面进行 记录和显示。
引风机高压变频装置节能计算软件的主画面
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