6GK7243-1EX01-0XE0技据

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在自动化控制系统中，变频器的使用越来越广泛，变频器对PLC模拟量干扰问题也凸显出来。下面举一个变频器对PLC模拟量干扰的例子以及用信号隔离模块克服此类干扰的解决办法。
现象说明：西门子PLC中AO点发出一路4-20mA电流控制信号，输出至西门子变频器，无法控制变频器启动。
故障查找：1，疑似模拟量输出板卡问题，用万用表测量4-20mA输出信号，信号是正常的!2，开始怀疑是变频器控制信号输入端有了问题，换了一台同型号变频器，问题仍然如此。3，用一台手持式做4-20mA输出信号源，输出标准电流信号至变频器，这下变频器启动了，因而我们排除了模拟量输出板卡和变频器的故障。4，由此推测是变频器的干扰信号传导至模拟量通道所致。5，为了验证，在PLC模拟量4-20mA输出通道中加装了一台信号隔离模块TA3012，TA3012的输入端子5、6接模拟量输出模块，输出端子1、2端子接变频器，3、4端子接外部24VDC供电电源，变频器正常启动了。5，据此断定，问题的根源在于变频器干扰模拟量通道所致。
相信不少自控工程师在调试系统的时候都曾经遇到变频器对PLC模拟量干扰的问题，因此，笔者在此分享一下自己的系统调试心得。在PLC和变频器同时使用的自控系统中，应该着重注意一下事项：
1，PLC供电电源与动力系统电源(变频器电源)分别配置，且PLC的供电应该选择隔离变压器;
2，动力线尽量与信号线分开，信号线要做屏蔽;
3，无论是模拟信号输入还是模拟信号输出，模拟量通道一律使用信号隔离模块;
4，PLC程序里做软件滤波设计;
5，信号地与动力地分开设计。
做好以上五点，变频器对PLC模拟量干扰的问题，即可迎刃而解。

一般来说，对于初次使用PLC的用户或者是用于控立设备(单机控制)的场合，配套日本产的PLC产品，相对来说性能价格比有一定的优势，入门也较容易。对于系统规模较大、网络通信功能要求高、开放性好的分布式PLC控制系统，远程I/O控制系统，欧美生产的PLC可以为网络通信功能的发挥提供一定的便利。当然，产品的技术支持与服务、价格等因素也是选择PLC时所考虑的问题。

在PLC生产厂家确定后，PLC的型号主要决定于控制系统的技术要求，在满足设备控制要求的前提下，考虑生产成本。

从技术的角度考虑，以下指标是选择PLC型号时应引起注意的问题。

1.CPU性能

PLC的CPU性能主要涉及处理器的“位数”、运算速度、用户存储器的容量、编程能力(指令的功能、内部继电器、定时器、计数器的数量等)、软件开发能力、通信能力等方面。在使用特殊功能模块、特殊外部设备或是需要网络连接的场合，应考虑到CPU的功能与以上要求相适应。

此外，在满足控制要求的前提下，CPU的价格也是需要设计人员考虑的问题之一，选择的PLC既要满足系统的功能要求，同时也应该充分利用其功能，避免不必要的浪费。

2.1/0点数

PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。）I/O点数的确定，应以上述的I/O点汇总表为依据。在正常情况下，PLC的I/O点可以适当留有余量，但同时也考虑生产制造成本。对于以下情况，应适当考虑增加一定的I/O余量。

①控制对象的部分要求不明确，存在要求改变可能;

②I/O点统计不完整，设计阶段或者现场调试时可能增加I/O点：

③PLC扩展较困难，但控制系统存在变动可能性;

④使用环境条件相对较差，PLC工作负荷较重：

⑤维修服务不方便，配件供应周期较长。

I/O点(包括程序存储器容量)的余量选择无规定的要求，没有固定的计算公式，一切都根据实际情况进行，避免教条主义，这样才能做到科学与合理。

3.功能模块的配套

选择PLC时应考虑到功能模块配套的可能性。选用功能模块涉及硬件与软件两个方面。在硬件上，应保证功能模块可以方便地与PLC进行连接，PLC应有连接、安装位置与相关接口、连接电缆等附件。在软件上，PLC应具有对应的控制功能，可以方便地对功能模块进行编程。

4.通信能力

对于分布式PLC控制系统、远程I/O控制系统，PLC的通信功能是考虑的问题。而对于集中控制系统或单机控制系统，既要考虑到用户现有外部调试设备等的正常使用，还应考虑到用户管理水平的提高与技术发展的可能性。增强通信功能，既是信息技术发展的基本要求，也是当前PLC的技术发展方向之一。因此，在选择PLC通信能力方面，应有一定的前蒽识，保留系统的发展空间。

1.时检测

机械设备在各工步的所需的时间基本不变，因此可以用时间为参考，在可编程控制器发出信号，相应的外部执行机构开始动作时起动一个定时器开始定计时，定时器的设定值比正常情况下该动作的持续时间长20%左右。如某执行机构在正常情况下运行10s后，使限位开关动作，发出动作结束的信号。在该执行机构开始动作时起动设定值为12s的定时器定时，若12s后还没有收到动作结束的信号，由定时器的常开触点发出故障信号，该信号停止正常的程序，起动报警和故障显示程序，使操作人员和维修人员能判别故障的种类，及时采取排除故障的措施。

2.逻辑错误检查

在系统正常运行时，PLC的输入、输出信号和内部的信号(如存储器为的状态)相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出了故障。因此可以编制一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为ON状态，就应按故障处理。如机械运动过程中先后有两个限位开关动作，这两个信号不会同时接通。若它们同时接通，说明至少有一个限位开关被卡死，应停机进行处理。在梯形图中，用这两个限位开关对应的存储器的位的常开触点串联，来驱动一个表示限位开关故障的存储器的位就可以进行检测。

    3.2.2系统效率提高，单耗降低

    系统通过高压变频装置改造后，使各泵在区运行的前提下满足系统的注水量，有效提高了系统效率，降低系统单耗。据分析计算，系统改造后可实现注水单耗平均降低0.2~0.4kW/h，取平均值0.3kW/h，每天注水量平均为4100m3/d，，每度电以0.5元计，则一年可以节约电费为：

    4100′365′0.3′0.5=22.4万元（人民币）

    3.2.3调整多余水量，节约电能

    每天平均注水量为4100m3/d，由于要求的注水量的波动较大（有时需要注2600m3/d，有时又需要注5500m3/d）且变化频繁（一周或几天一变）。对该站实施高压变频改造，可根据站外要求的水量灵活调整站内泵的运行，使之在满足系统压力要求的前提下尽可能与要求的注水量一致，重大程度减少电能和水源的浪费。

    当要求注3600m3/d水时，泵的能力大于要求的水量，将多注1500m3/d；当要求注5500m3/d时，开1台泵水量不够，开2台泵将多注2220m3/d水，都将造成水源和电能的浪费。根据以上数据及站内运行情况推算，为满足配注量，每天平均多注水1600m3/d，系统单耗为7.1kW/h，按每度电电费为0.5元计，改造前每年约有150天水量处于不匹配状态，则通过高压变频调节后年节电费为：

    1600′150′7.1′0.5=85.2万元（人民币）

    3.3实际节电效果

    该变频器于2004年8月在新三联2#注水电机安装正式运行，使用变频器前后的耗电情况统计见下表：

    表 1：2004年5月使用变频器前的耗电情况

    表 2：2004年8月2#泵使用变频器后的耗电情况

   由表 1，表2可以看出，2#注水泵电机安装变频器前后的注水单耗从6.79下降到5.38，不考虑其它方面的影响：

节电率=（安装前耗电-安装后耗电）/安装前耗电*100﹪

=(1244246-698215)/1244246*100﹪

=43.88﹪

    考虑到注水量各方面条件的影响，实际的节电率与计算值有所不同，但根据现场的运行情况来看，不会有太大的出入，总体的节电效果不会改变的。 

    4 结束语

     综上所书，JD-BP37序列高压变频器运行平稳，性能，简便实用，节电效果明显，改善了工作人员的工作环境，启动无冲击电流，大大降低了维修费用提高了机组的使用寿命，安装使用后明显带来了比较显著的经济效益，使用表明，JD-BP37系列高压变频器具有的推广应用。

   2．2输入侧结构

    输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流，1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自己立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组，互差20°，构成18脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于5%。由于变压器副边绕组的立性，使每个功率单元的主回路相对立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

    2．3控制器

    控制器由高速16位单片机和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到优的运行性能。工控PC提供友好的全中文bbbbbbS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

    控制器及各控制单元板中采用8位单片机等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有高的性。此外还有一个CPU，也是8位单片机,负责管理LED显示屏和键盘。

    另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分隔离，系统具有高的性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的性。

    2．4控制电源

    控制器有一套立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机性、调试、培训带来了很大方便。    

图3立控制电源系统

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    3、现场情况和节能效果统计

    针对现场存在的问题，系统优化改造主要需解决两方面的问题：，在满足系统配注水量的基础上尽可能减少排量损失；二，在满足注水压力的前提下尽可能减少泵管压差，即减少压力损失。系统优化拟从动能和势能两方面同时入手，尽可能降低能耗、提高系统效率。

    3.1现场的系统构成  

图4现场系统构成

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    系统闭环控制过程如下：由智能传感器对各运行注水泵进行实时数据监控和处理，即采集和传输注水泵、站的运行参数，如：泵的排量Q单、电机电流I、泵进、出口压力P泵，注水站出口干压P干、总排量Q总、平均单耗等，并将这些控制参数（Q单、I、P泵，P干、Q总、）与其期望值及泵本身的特性曲线进行对比和优化计算。其中，注水站干压和总流量是系统所需监测和控制的两个主要参数。本系统中，一方面在泵出口管线上安装一只高性压力传感器，将实测的压力信号与系统的配注压力（期望值）相比，并将其差值送往过程参数调节器（PID）进行比例和积分运算，后将输出送给可编程控制器（PLC）；另一方面在泵入口管线上安装一只流量计，用于监测系统实际总流量，将该值与系统配注量的差值再进行一次PID整定，后将输出送给PLC。PLC根据所接收的两个PID整定信号，利用模糊推理的方法，在满足系统干压的前提下，系统及时自动调整高压变频器的输出频率从而控制变频泵的转速。由离心泵原理知，泵转速的变化可引起相应的排量变化，通过频率的变化以达到期望的排量值。通过上述闭环控制，使系统的实际压力和排量与系统的配注压力和配注量相接近。系统设计为闭环控制系统，流量和压力为系统的两个主要参数，将系统实测的流量和压力信号与地质要求的流量和压力（期望值）进行双PID调节；通过模糊推理的方法自动寻优控制，根据推理结果，系统及时自动调整高压变频器的输出，并自动计算出变频器的运行频率。

    3.2节电效果分析

    3.2.1由功率和转速的立方成比例：

    p1/p2μ(n1/n2)3（其中，n为机泵转速，p为输出功率）

    可知，泵的功率变化与转速的三次方成正比，也就是说，当泵的转速下降1个单位，则泵的功率将以该单位的三次方的关系下降。而变频调速正式通过变频器改变电源的频率来控制泵的转速，这充分说明变频调速是节能的方法。