西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8详细使用

西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8详细使用

  一、工程概述：

    水泥生产过程控制系统在功能分配上同时又是分级式层次结构，高层次是过程控制级，低层次是基础自动化级。基础自动化级，主要进行电气自动控制和仪表自动控制，对工艺设备过程信息进行检测、显示、记录及数据初步处理，执行设备运转控制及工艺设备过程自动调节、**限报警。过程控制级，主要完成生产过程优化控制、操作指导、数据处理和存储，与上级管理计算机及其它计算机之间的数据通信。

    在华新水泥，过程自动化控制系统采用4级网络系统：

    路以太网――批量控制服务器和操作站的

    路工业以太网――系统总线，操作站和控制器间的

    路PROFIBUS-DP――系统I/O总线，控制器与I/O站间的

    路PROFIBUS-PA――系统与PA智能仪表的

    华新水泥生产过程自动化控制系统依照水泥生产工艺流程，按如下子系统控制站分布（以下WINCC画面截屏，以华新水泥（阳新）公司一期6000T/D熟料生产线为例）：

    1．石灰石破碎控制站：石灰石破碎及输送；

    2．原料磨控制站：原料进厂均化及输送、原料配料、原料粉磨、电收尘、生料入库、水泵房；

    3．窑尾控制站：废气处理（高温风机、增湿塔）、生料均化、生料入窑、窑尾塔架（预热器、分解炉）、烧成窑中、空压机站；4．窑头控制站：熟料冷却（篦冷机）、熟料入库、原煤输送、煤磨、煤粉秤；

    5．水泥磨控制站：熟料配料、水泥粉磨、水泥入输送、袋装输送、外运码头；

    上位机采用WINCC进行组态。人机界面主要设计有以下内容:

    (1)系统工艺流程显示:依据设备系统工艺流程图，按照功能组区域划分;

    (2)调节系统、调节画面:回路手操站，调节参数与参数趋势的集中显示;

    (3)重要参数趋势显示:有实时趋势与历史趋势两种显示;

    (4)全局报警显示:系统按照功能区分为若干个报警组，各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方，全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力，或按**级、报警组过滤查看，并具有全局报警确认。

通常情况下，石灰石破碎控制站使用一个西门子SIMATICS7-300站（315-2DP）进行控制，其余各个控制站使用一个西门子SIMATICS7-400站（416-2DP）进行控制。依照现场设备及工艺布局的具体情况，可以将窑尾控制站和窑头控制站合并为一个控制站；将水泥磨控制站和包装控制站合并为一个控制站。

    以上每个子系统均通过西门子不同的通讯模块连接在同一个工业以太网上。在窑线主要生产控制部分，采用工程师站及服务器/客户机结构，运用若干数量的人机界面（操作员站）完成对生料、熟料、水泥生产过程自动化控制系统的监视和控制。并且，管理人员能够使用IE浏览器，利用WINCC中的WebNavigator，通过网关，对生产线的监视和控制进行实时浏览。

    二、系统要求

    1.控制系统设计的总体目标

    路提高水泥生产的自动化水平；

    路实现实现水泥生产系统的高品质运行，提高运行经济性；

    路提高运行人员工作效率，满足整个系统运行**值班要求；

    路提益，降低能耗。

    2．系统设计及应用时的设计思想

    1)功能设计：体现DCS建成后的自动化程度、处理事故能力（报警、分析、指导、处理等）及先进的控制策略等，以较大限度提益，降低能耗为设计思想。

    具体如下：

    对象控制

    路按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成，达到平衡。

    路**系统安全、可靠、运行和启停。

    提高水泥生产系统运行的技术经济效益

    路实现高自动化投入率，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。

    完善的操作指导和事故分析手段

    路系统运行工况可由很多监测参数反映出来，当运行工况出现异常时，提供相关参数、趋势、图表等方式通知运行人员及时处理。

    路操作记录打印、报警打印、事故追忆打印、周期性报表等功能，有助于系统日常管理和事故分析。

    路、便捷的系统在线维护。

    2)系统设计：体现DCS的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下：

    可靠性设计：

    路所有部件标准化、通用化、模块化。

    路控制系统按分层、分散、自治的原则。

    路所有I/O模件均为智能化设计，采用隔离措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。

并具有软件数字滤波和偶发干扰的措施。

    维护性设计：

    路可带电插拔。

    路系统自诊断至通道级。

    路选用模块化的功能组态软件，提高软件透明度。

    扩展性设计：

    路采用工业以太网网络结构，通讯速率100MBPS，主干网采用冗余环网，个子站通过双绞电缆挂接在主干网络上，有较强的通讯扩展能力。

    路提供与其它系统的通讯接口，如工业以太网、PROFIBUSDP或MODBUS。

    开放性设计：

    路支持国际标准数据接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。

    路标准MIS数据接口站，与厂级MIS互联。

    三、PCS7系统的主要特点

    华新水泥为什么选择SIEMENSPCS7?

    ●水泥生产各个车间和工段互不干扰，但它必须实现相互之间的通讯，完成交换数据，从而保证连锁要求；

    ●系统有大量的离散输入/输出数据，以及少量的模拟输入/输出；

    ●部分离散输入/输出需要高扫描速度；

    ●部分重要过程传感器需要系统能够实现优化处理，也可以实现人工设置；

    ●工艺相对简洁，设备数量多；

    ●系统方便地与随机控制设备（PLC）的连接、通讯；

    ●控制系统必须有很好的兼容性；

    ●控制系统可靠性高，有自诊断和冗余功能

    ●TIA的理念和强大的系统软件功能

    PCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，结合了传统DCS和PLC控制系统的优点，将两者的功能**的结合在一起。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台；所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同样统一的软件平台。系统大量采用了新技术，在网络配置上，使用标准工业以太网和PROFIBUS网络。由于PCS7了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。

    PCS7拥有良好的用户界面及强大的系统功能块库，能大大节省系统编程组态的时间和费用。

    路系统的所有硬件都基于统一的硬件平台,所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,具有同样统一的软件平台。

    路系统大量采用了新技术,在网络配置上使用标准的工业以太网和PROFIBUS网络。

路通过冗余的10Mbps光纤环网(工业以太网)相连接,分别将信号传送至中央控制室,全厂主要设备的开、停和故障信号都将在过程控制系统和中央控制室显示。

    路采用SIEMENS高速以太网光纤通信模块OSM,大大加强了网络抗电磁干扰的能力,省去了采用普通双绞线连网所必须考虑的防雷击及过电压保护的措施,使得控制系统,风险系数大大降低。

    路自动化系统的现场控制站采用带有带电热插拔特性的SIMATICET200M分布式输入/输出控制站,允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下插拔,而*停止系统,大大提高了系统的可靠性。

    路系统所有的分布式远程I/O分站和低压保护装置、高压保护装置、执行机构、?统控制器进行通信，较高通信速率可达12Mbps。

    四、PCS7系统在华新水泥的应用

    1．硬件组成

    华新水泥生产过程自动化控制系统的硬件包括：1个西门子SIMATIC300站和5个（较少为3个）西门子SIMATIC400站。（各个站包括1个电源模块、1个CPU、1个工业以太网通讯接口模块和数量不等的ET200M、模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块）、1台工程师站计算机和1组服务器对及若干台工控计算机、2个西门子CP1613网卡、1台MIS服务器。

    2、软件组成

    华新水泥生产过程自动化控制系统的软件包括：bbbbbbs2000Server英文版操作系统、西门子PCS7编程软件和CEMAT水泥行业专业软件。

    3、系统配置（见附图）

    华新水泥生产过程自动化控制系统中各个现场控制站通过西门子工业以太网通讯模块连接在同一个SIMATIC工业以太网（采用光纤熔接为环形网络，如下图线所示）上完成控制功能，同时通过西门子CP1613网卡、若干台工控计算机也通过经RJ45屏蔽双绞线由普通网卡到交换机或中控室的OSMTP62连接到此SIMATIC工业以太网上完成监视和操作功能。其中，原料磨控制系统的SIMATIC400站通过工业以太网与石灰石破碎控制系统的SIMATIC300站交换数据，同时原料磨控制系统的SIMATIC400站通通过工业以太网与窑尾控制系统和窑头控制系统的SIMATIC400站交换数据。而且，SIMATIC400站基于PROFIBUS-DP/PA网络，连接现场远程控制站、PROFIBUS-DP设备（低压保护装置、高压保护装置、执行机构、变频器、现场控制器等）或PROFIBUS-PA仪表（温度变送器、压力变送器）。

    4、硬件评估

    SIMATIC工业以太网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP协议的标准以太网，它的优点是连接简单、便于扩展、速度快、兼容性好。华新水泥生产过程自动化控制系统在主站监控级网络采用SIEMENSIndustrialEthernet，在设备级网络采用PROFIBUS-DP。

华新水泥采用室外重铠六芯62.5um/125um光纤作为SIMATIC工业以太网的连接介质，有效地实现了工业以太网过程中的抗干扰功能，保证了系统运行的可靠性。

    PROFIBUS作为一种总线标准，具有开放、国际化、不依赖于设备生产商等特点，由其构成的兼容网络系统，可应用于不同的场合，分别是PROFIBUS-FMS，提供强有力的通信功能；PROFIBUS-DP，用于传感器和执行器级的高速；PROFIBUS-PA，用于安全性较高的场合，允许对设备进行完全的内部操作。SIMATICProfibusDP网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网，它的特点是可以在PLC（可编程序控制器）与现场设备（如变频器、工业键盘、智能仪表、分布式I/O站等）之间交换数据。华新水泥生产过程自动化控制系统采用西门子**DP/PA线作为ProfibusDP/PA网的连接介质。

    华新水泥自2002年起至今，大规模使用PROFIBUS技术。在华新，各条水泥大约使用DP设备200台，PA仪表100台。

    PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其*特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为较重要的现场总线标准。它符合：-IEC61158国际标准和-JB/T10308.3-2001(中国标准2001年)。

    PROFIBUS协议包括以下主要部分：

    路PROFIBUSDP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于制造业自动FIBUSPA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

    PROFIBUS技术与传统集中控制比较，在系统设计、安装调试、维护及扩展方面都具有十分明显的优势：

    路12M的通信速率和可靠的通信质量

    路适用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)

    路灵活的拓扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型

    路强大的通信功能，支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线安全通信技术

    路先进的网络规模(较多支持126个总线站，网络规格可达90公里)

    采用PROFIBUS技术后，与传统的电控系统比较，系统具有以下几个特点：

    路系统设计更加方便、清晰－－－－负载馈电器的使用，免去了电机保护开关、接触器及与PLC输入/出的大量原理图、接线图的设计，出图量大幅度减少，ET200M模块化组件的使用，也使柜(箱)内布线、设计更为简便，加快了控制系统设计、生产周期。

    路安装简单、快捷－－－－在不采用任何工具的情况下，接口模块和端子模块卡在导轨上，完成接线后，电子模块、电源模块、负载馈电器模块“即插即用”。

    路组态、调试更加容易－－－－无须其他特殊软件，在S7软件包中，用鼠标拖拉即可完成PROFIBUS-DP的组态。

不需额外费用，设备故障就可通过总线报告，故障定位更加方便。

    路维护简单－－－－划分子站和模块化组件的使用，以及强大的故障诊断能力，都为日后设备维护带来大的便利。

    路便于扩展和信息集成－－－－PROFIBUS的使用将孤立的单元设备带进了信息化网络中,为今后系统扩展和企业综合自动化的实现打下良好的基础。

    路较终用户工程造价降低－－－－PROFIBUS技术的使用，节省了大量的线缆、桥架、端子排、柜体等，培训和维护费用减少，这些都降低了工程总造价。

    SIMATIC400站是西门子公司的拳头产品，无论在控制速度、控制精度还是抗干扰性、灵活性各方面讲都处与PLC产品的良好地位。

    5、软件评估

    PCS7是西门子公司为S7-400系列PLC设计的编程软件，它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制；它的组织块、功能块、数据块相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求；它的时间中断组织块可以实现短到10ms长到5s的快速中断请求；它的符号表（Symbol）可以方便进行程序注释。

    基于标准的SIMATIC软件和硬件组件

    先进的分布式客户机/服务器架构

    可伸缩性强，从小型实验室系统，到具有高达60，000个过程对象的大型工厂

    可用于连续和批处理应用

    可用于所有工业领域：过程、制造以及混合工业

    强大的HMI系统，带有集成的基于SQL服务器的归档系统

    基于IEC61131的集中式，工厂范围内的工程系统

    通过现场总线PROFIBUS，现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成

    无缝集成的安全系统，通过TüV*验证的可满足AK6/SIL3

    在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式，高可用性和故障安全相结合的形式

    可在所有层级实现冗余，提高可用性

    符合ISAS88.01和FDA21CFRPart11规范的模块化批处理系统SIMATICBATCH

    通过SIMATICIT架构实现MES/ERP层级的接口

    SIMATICPCS7——一个真正的现代DCS系统

    HMI

    具有多用户能力的HMI组件

    大容量架构

    客户机-服务器结构

    冗余

    在线修改

    AS,I/O模块,I/O

    热插拔（运行中插入和拔出模块）

    运行中可进行扩展/修改

    用于危

险区域的I/O模块

    冗余（控制器、模块和PROFIBUS）

    集成的故障安全技术

    智能现场设备/驱动设备的集成

    通讯

    快速以太网和PROFIBUSDP/PA

    光纤交换技术

    冗余（系统总线和现场总线）

    在线扩展

    工程

    集中式工程工具，简单易用，通用操作

    批量工程，具有导入／导出功能

    应用图形化和面向PLT的工具进行全面、有效的工程

    集成的SIMATICPDM软件对智能现场设备进行集中参数化

    软件模拟和测试

    修改跟踪功能

    分布式、并行工程功能

    6、疑难与解答

    1）标准化编程

    大型的自动化控制系统很难一个人完成，因此需要很多人的分工与合作。标准化编程就是要使软件工程师编写的程序整齐划一，通用性和可读性强，除了作者本人的阅读者也能轻而易举地理解作者的编程思想和工艺要求。这样不但可以使编程人员不再纠缠编程的枝节问题，缩短编制程序的时间，集中精力解决更加困难的工艺上的问题；而且有利于维护人员对程序的理解，为生产保驾**提供了更加宝贵的经验。标准化编程的实现是多方面的，首先根据设计图纸编制各系统的点号表（用EXCEL表格）；再根据点号表编制STEP7符号表（SYMBOL）；再根据点号表找出各控制设备的输入/输出点号，据此定义下列STEP7使用的点号：模拟手/自动转换选择开关；启动按钮、停止按钮（对单线圈的泵或电磁阀）；开启按钮、关闭按钮、停止按钮（对双线圈的电动阀）；手动输出值、给定值、比例系数、积分时间（对PID调节阀）；再根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序；最后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序，即自动程序。

    2）数据通讯。

    这里的数据通讯包括SIMATIC400PLC与SIMATIC400PLC之间，SIMATIC400PLC与SIMATIC300PLC之间的数据通讯。其中，SIMATIC400PLC与SIMATIC400PLC之间是通过SIMATIC工业以太网通讯，编程使用FB205（FR_AGSEN/发送数据功能块）和FB206（FR_AGRCV/接收数据功能块）；SIMATIC400PLC与SIMATIC300PLC之间的数据通讯也采用相同的方法处理。值得注意的是FB205（FR_AGSEN/发送数据功能块）和FB206（FR_AGRCV/接收数据功能块）必须在OB35（100s时间中断组织块）中调用。

3）PID调节

    水泥生产过程中有很制对象，诸如系统风力压力、物料等都需要稳定的值。以前这些模拟量的调节采用智能仪表，现在有了西门子SIMATIC400PLC就可以取代这些智能仪表，PID调节在STEP7中使用FB513（连续PID调节控制）；在WINCC中使用PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。

    4)画面强制

    大型工厂自动化控制系统涉及的控制设备很多，控制工艺复杂，导致控制过程中的逻辑连锁非常复杂，主要设备动作的诸多条件很难同时满足。为了调试程序的需要，在画面上增设许多选择开关，当某开关置??足时，程序就可以对设备进行操作，而不必等待实际条件满足。在生产中有时某设备出现临时故障，为不影响正常生产，也可以在画面上强制，继续生产，直到设备修好，再把强制解除即可。

    5)SIMATICWebNavigator：

    WebNavigator软件包可使用户通过Internet或局域网同过IE浏览器直接访问WINCC过程画面。客户端无须安装WINCC应用程序，所有WINCC应用都位于服务器上，因此降低了对客户端的系统要求。通过WebNavigator可实现办公室与现场的数据实时交换，满足当前对现代化DCS系统的基本要求。同时只需要较少的软硬件配制就可同时满足50个操作员站。由于此功能是通过Internet来实现，所以安全性是必须考虑的问题。

    五、项目中的难点：

    由于华新水泥项目中使用了大量的Profibus通讯，且第三方设备较多。较初十分担心设备的混合通讯以及现场设备间的相互干扰。但在实际使用过程中，深刻的体会到现场总线技术所带来的方便。同时也感觉到西门子PCS7的开放性对华新水泥过程控制系统项目的帮助。由于第三方设备较多，因此使用大量的自编写的CFC功能块，但是正是由于PCS7的开放性能够为这些CFC功能块生成相应的BlockIcon、FacePlate、报警信息等DCS系统所必须的功能；不仅第三方设备可以这样处理，一些比较复杂的工艺过程也采用了同样的方法，取得了满意的效果，得到分公司生产维护人员的**。在通讯调试过程中发现，调试设备通讯时应注意系统的接地，通讯电缆的短路，系统的等电位等因素都会导致系统总线的瘫痪

多电平高压变频器是我们国家近年来在电力电子领域的一个研究重点，它作为一种应用于高压大功率变换场合的新型变频装置，将可以很有效的应用在那些高压风机、水泵、压缩机的节能改造中，同时也可以大量的采用在工艺和设备要求的电压等级较高和容量较大的交流调速的环境中。其主回路的拓扑结构是本文探讨与剖析的主题，本文以欧洲的阿尔斯通电气公司在我国的宝新不锈钢厂和太钢应用在轧机主传动上的交流、高压、多电平的变频器为例进行了剖析。  

1、引言 

交流电机变频调速已经是当前各行各业都普遍关注的重大项目。人们期待用率、高可靠而又经济可接受的变频技术来调节交流电机的转速已达上**的历史了。在20世纪60年代后半期，电力半导体器件及其在变频器应用中的进步，成就了发达国家在70年代初的**次世界能源危机期间用变频调速实现节能事业的大发展。对于交流电动机，改变频率即能调速。随着可控硅、GTO、IGCT和IGBT等电力电子元器件的开发，相应的控制技术的发展和这些电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业中得到了更广泛的应用。受限于电力电子元器件的开发与应用，在过去的十几年中还基本上是以低压变频调速装置为主，即：电压为380V～690V，工业中大量应用的大容量的高电压的交流电动机还仅仅采用其他的调速方式或不调速的形式运行在工业系统当中，从而消耗了大量的能源。 

根据目前各主要变频器的制造厂家的不同研制和开发，现有的高压变频器的组成方式也不尽相同。根据电压的不同，可分为直接高压型和通过升压变压器的高-低-高型（实际为低压变频器）；根据中间的耦合形式，分为交-交型的变频器和交-直-交型的变频器；而根据中间直流偶合环节组合的不同又分为电压源型的变频器和电流源型的变频器。我们知道低电压变频器的拓扑结构都为统一形式的二电平结构方式。而由于电力电子元器件的耐压受到限制，不同的电力电子元器件的开关频率的不同，使得近年来开发出来的高电压、大容量的变频器的拓扑结构形式也是各有千秋。但考虑到整个系统的简单、可靠和经济，目前应用的高压变频器的拓扑结构还主要集中在三电平和四电平的形式上。 

近两年来我国在工业新上项目中先后从欧洲的阿尔斯通电气公司引进了几套四电平电压源拓扑结构形式的高压变频器，它们先后应用在我国的太原钢铁公司、宝新不锈钢厂（隶属于宝钢）、青岛钢铁有限公司和天津无缝钢铁总公司。其传动系统采用的是当今传动控制中较为先进的ALSTOM公司的多电平拓扑结构、IGBT元器件的交流高压变频调速装置。此系统的较大特点是，系统为交流高压变频调速装置；主回路采用的是四电平IGBT结构；3台4MW的交流同步主电机共用一条公用直流母线，达到了系统的高性能工艺调速要求，同时系统方案又经济、可靠、节能和较优化配置。整流则采用的是当今较为先进的称之为清洁型能源变流器[1]。此类变频器即可应用在风机、泵、压缩机类的主转动上，也可应用在 工艺性能要求高的轧机生产上和大型船舶驱动上。    

2、系统的结构组成

近年来随着电力电子元器件和控制系统结构的发展，GTO、IGCT和IGBT的开发以及变频技术结构形式上的发展，使得高压、大容量变频器得以迅速应用在工业系统当中。变频传动装置首先经历的是在原有的二电平控制结构基础上并串联上多个元器件，其二电平输出波形见图1（a）。元器件的并联连接，输出电压要满足元器件承受电压的要求，这种连接方式所引起的问题与复杂的均流装置相绞合在一起，电路的复杂程度常常易造成元器件的损坏；对于串联元器件的连接形式，输出电流同样要满足元器件的承受能力要求，要确保其分布在元器件上的电压在任何情况下都要均衡，故也容易常常发生系统的故障。因此从系统的可靠性的角度来说，它们都很难保系统的可靠运行，同时输出波形也很差。

近年来在电力电子元器件发展的同时，变频器的拓扑结构也在随之得到开发，伴随着电力电子元器件的耐压和承受电流的限制，变频器的拓扑结构相继出现了三电平、四电平和多电平结构的形式。对于三电平、四电平和多电平结构的变频器，它提供给电动机非常小的谐波电流且电流波形也更接近交流电动机要求的正弦波电流波形，如图1所示。通过这种拓扑结构我们可知随着多电平的增加，其电压幅值在相应的降低，这使功率元器件所承受的电压降低，更加有利于减少装置产生的dv/dt。当前的大容量、高压变频器，既要保大功率的输出，又要确保系统的可靠运行，还要保输出波形更趋近于正弦波。目前在高压、大容量的变频器中常常采用的多电平的结构和输出波形如图1所示。三电平的结构方案在近年来的发展中既使用有GTO（以及较近的IGCT中）元器件，也采用在IGBT的方案中（目前几个*的大公司如西门子，ABB和阿尔斯通都有此类产品）。但它的不足是元器件的导通或阻断是由箝位二极管来加以保证的，箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大；开关器件的导通负荷不一致；在变流器进行有功功率传送时，直流侧各电容的冲放电时间各不相同，容易造成电容电压的不平衡，增加了系统动态控制的难度；同时这种结构的扩展能力也很有限。

随着现代拓扑技术的发展，多电平的变频技术结构方案得以在工业系统中应用。图2就是较近我国从欧洲阿尔斯通公司引进的应用于轧机控制的高压、大容量、四电平变频器的拓扑结构图，从图2中可以清楚地看到它的结构特点，即模块化的结构。这种变频器的特点是保证了元器件的串并联连接，同时它又不是元器件的简单的串并联而是从结构上的串联连接，它确保了电压安全和自然分配。其较为明显的特点为：

目前我们知道在工业中采用的高压标准为3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照这些标准，通过整体的单元装置的串并联拓扑结构技术去满足不同等级的电压要求； 

由于这种结构特点，使当今系统普遍采用的多台变频共用一条直流母线的方案非常容易实现，以达到在系统内部的能量互相交换； 

这种结构取消了我们传统结构中的在各级元器件上的众多分压分流保护装置，可以使电路的各个单元彼此相互隔离，使得系统既简单，又可靠且易于维护。从而了串并列多个半导体元件所带来的系统可靠性差的因素； 

由于此结构采用的是IGBT元器件，它的开管频，触发电流小，且IGBT非常容易在市场找到，从而为我们的开发和应用带来了较大的选择机会。

从图2可以看出，这种结构的输出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流变频传动系统对传输电缆以及电机和变压器绕组的危害性较大。而对于多电平结构系统正好在这方面是它的优势，应该说电平级数越多其输出波形越接近于正弦波。

3、四电平传动结构的控制原理

四电平控制结构如图2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成对的方式构成的，而每一对都是基于传统的二电平的控制思想去进行控制的。图3表明了此四电平的运行原理图和各大功率元器件所承受的电压以及各电容布的电压。从电路结构上可以看出整个电路所承受的电压为：V，2/3V，1/3 V，但在每一处于阻断状态的功率元器件的电压总是1/3V。这种结构技术圆满解决了各功率元器件上所承受的电压动态和静态的问题，同时不同的一对元器件的控制是在不同的时间段也限制了dv/dt的问题。实际上各元器件上所承受的浮动电压是由各电容来提供的，电路在换相过程中对各电容进行充放电，其电容电压遵守着如下的规则[2]：

这里的n为每一相共有几对大功率元器件的个数，例如：四电平结构的每相共有3对大功率元器件，即在这里 n=3。从电路结构中我们知道在每一功率元器件通过的电压取决于电容上的电压Ck和Ck-1并由下式给出： 

现在我们知道每一阻断大功率元器件上所承受的电压为V/n，并且导通的元器件的电压为0。这就证明了图（3）的四电平的输出电压波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平结构的换相控制要同时满足：   

电容电压要恒定，即为了决定对每一对大功率元器件的控制类型，我们定其较初的电压值Vck是由给出，并研究保持这些电压恒定的条件。

每一电容Ck都与功率元器件之间连接着，并取决于这对元器件开关的状态，在这个电容上的电流是+I，0，-I， 它能表达为：，这里的Sk和Sk+1是0或1（这将根据功率元器件开关的状态）。这个方程给出了下列电压Vck  k＝1…n的稳定状态的稳定条件：

当电流I在一开关段为积分恒定时，则对电压Vck  k＝1…n稳定状态的稳定条件可写为：

我们知道对于这种四电平结构所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路则采用的是PWM方式的调制技术。其控制回路采用了目前在工业系统中大量应用的高性能控制器（工业用计算机），用它来分配系统的工作周期和发送控制周期，在一个控制周期分成几个阶段，在每一阶段严格按照导通和关断的规律去控制IGBT功率元器件开关动作。从图3中我们可以很直观地看到各阶段各开关元器件的导通，关断的过程。例如在A段：1#，2#和3#的开关导通C1上充有正向电流；而在C段：2#，1#和3#的开关导通，而C1此时为放电状态。不管怎样我们的负载侧在一个周期内的各个阶段得到都是1/3V。同时我们很直观地看出在电容上的平均电流为0，电容在这里起到分压和使系统达到自然换相的目的。通过这种高速的分配控制，系统可以避免多个串联功率元器件在瞬间同时导通，有使输出电压波形更趋于所希望的正弦波形。

图4表明了在太钢实际采用的2个IGBT和电容模块化的结构图。这种通过双母排把IGBT和浮动电容组合在一起，较大化地减小了IGBT的开关电感，同时也使整个系统成为一整个抽屉式的结构，其每一相仅有3个模块组成，非常易于维护。