西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8品质好货

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系统主要硬件组成 

系统硬件由可编程控制器（含数字量输入/输出模块、模拟量输入模块）、触摸屏一台、变频器、传感器及若干电器元件组成。各部分说明如下： 

(1) PLC：选用SIEMENS公司的S7-200系列CPU224（配数字量输入/输出模块、模拟量输入模块）。通过接收开关量、模拟量输入经处理后输出开关量、模拟量去控制继电器的动作，同时与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏发出的信息进行处理等。 

(2) 触摸屏采用SIEMENS公司MP370。实现人机对话，与PLC系统进行数据传送和交换，将设定参数写入PLC，也可将PLC、传感器及变频器内部参数读入触摸屏，实现了模拟量、数字量的实时监控，目标值的设定以及报警记录等。 

(3) 变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC及触摸屏。 

(4) 压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC和触摸屏。 

(5) 电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。 

3、触摸屏特点功能 

触摸屏监控器是90年代出现的新型可编程终端，是新一代高科技人机界面产品。适于在恶劣的工业环境中应用，作为人机界面可代替普通或工控计算机，具有交互性好，性高，编程简单，与PLC联结简便等特点。触摸屏的主要功能有： 

(1) 主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时信息。 
(2) 触摸屏上的触摸按钮可产生相应的开关信号、数字信号（数值）、字符给PLC进行数据交换,从而产生相应的动作控制系统或设备的运行。 
(3) 可多幅画面重叠或切换显示，显示图形、字符串、报警信息、历史记录、趋势图等。 

4、PLC在系统中的作用 

PLC作为控制单元，是整个系统的控制。通过接收开关量、模拟量输入经处理后输出开关量、模拟量去控制继电器、变频器及电磁阀等的动作，主要体现以下几方面的作用： 

1) 初始化变量，设置自由通讯口协议和中断协议。 
2) 与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对触摸屏输入的信息进行处理。 
3) 完成数字量与模拟量的相互转换。 
4) 逻辑控制及PID等运算。 
5) 发送模拟（数字）等调节变频器的输出频率。 
6) 通过USS4协议读写变频器内部参数。 
7) 判错传递数据信息、报警信息等。 

5、触摸屏画面设计 

触摸屏画面由ProTool等软件进行设计，然后从支持工具（个人电脑）中下载到触摸屏即可使用。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。 

(1) 主画面的设计 

在支持工具上，创建一个欢迎页面或被控主系统画面作为主画面，该画面嫩进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大至的了结。 

(2) 控制画面的设计 

该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。 

(3) 参数设置页面的设计 

该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，同时还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。 

(4) 实时趋势页面的设计 

该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。 

(5) 信息记录页面的设计 

该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值范围和系统急停等故障。另外该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。 

(6) 节能画面的设计 

该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。 

6、结束语 

在变频节能系统中采用触摸屏作为人机交互工具，简单直观，便于操作；提高了整个变频节能系统以及企业的硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中结合使用，在几乎未提高系统装置多少成本的前提下，就实现了整个被控系统的质的飞跃，这种结合必将多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点。

 微机基本子系统 

它是整个系统的，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。 

2. 数据采集子系统 

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。 

3. 数据分配子系统 

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。 

4. 基本I/O子系统 

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计 

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。 

1. 上位机软件设计 

上位机软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下： 

(1) 初始化模块 

硬件初始化 对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。 

软件初始化 包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。 

(2) 数据采集模块 

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。 

(3) 检测/控制模块 

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。 

(4) 中断管理模块 

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。 

(5) 显示管理模块 

用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。 

(6) 时钟管理模块 

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。 

(7) 故障自诊断与处理模块 

它是提高系统的性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机软件主要程序流

1 引言

随着电力电子及其控制技术的发展，变频器及其变频调速已经被广泛应用到工业控制的各个领域，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，变频器的广泛应用也带来了不能忽视的干扰问题。这种干扰表现在现场供电和其他用电设备对变频器的干扰和变频器运行时产生的高次谐波对电网和周围设备的干扰两个方面。如果变频器的干扰问题解决不好，不仅变频器系统无法运行，还会影响其周边其他电子、电气设备的正常工作。因此，变频器应用系统中的干扰问题倍受理论界和工程应用界的广泛重视。下面结合自己的工作实践，主要讨论变频器及其调速系统的干扰及其抑制方法。

2 变频器系统的主要干扰

2.1 外部对变频器的干扰

(1) 非线性用电设备对变频器的干扰

由于各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、照明设备等非线性负载的应用，这些负载成为电网中的大量谐波源，使电网电压、电生波形畸变。图1示出晶闸管换相引起的畸变。

图1 晶闸管换相引起的畸变

    变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电；浪涌、跌落；尖峰电压脉冲；射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

(2) 补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰

许多用户都在变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数，在补偿电容器投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，如图2所示，其结果是可能使变频器的整流管因承受过高的反电压而击穿。

图2 补偿电容投入时的电压畸变

2.2 变频器对外部的干扰

变频器对电网来说也是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，逆变器采用spwm技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声,对共网的其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

(1) 输入电流的波形

ac-dc-ac压型变频器的输入侧是整流和滤波电路，只有在电源的线电压ul大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才有充电电流。因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，如图3a)所示。它具有很强的高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波分量很大，如图3b)所示。

图3 输入电流的波形及其谐波分析

图4 输出电压与电流的波形

(2) 输出电压与电流的波形

变频器的逆变桥大多采用spwm技术，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，其输出的电压和电流的功率谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群，如图4a)所示。其高载波频率和场控开关器件的高速切换(dv/dt可达1kv/μs以上)所引起的辐射干扰相当。

3 电磁干扰的传播途径

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径一样，有电磁辐射、电路耦合、感应耦合等[1]，现分析如下。

3.1 电磁辐射

变频器对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞，则辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小与电磁波的波长接近时，会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样，变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。

3.2 电路耦合

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合，将干扰信号带入其它电路。比较典型的传播途径是：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号可沿着配电变压器进入中压网络，并沿着其它的配电变压器终又进入民用低压配电网络，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。

3.3 感应耦合

当变频器输入或输出电路与其它设备的电路很近时，变频器的高次谐波信号可通过感应的方式耦合到其它设备中去。其中电流干扰信号主要以电磁感应方式传播，电压干扰信号主要以静电感应方式传播。

4 抗电磁干扰的措施及注意事项

为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中，硬件抗干扰是基本和重要的抗干扰措施，总的原则是抑制和干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性，可从“抗”和“防”两方面入手采取措施抑制干扰[2]。

4.1 正确安装、合理布线

变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册对环境温度、通风、湿度、海拔高度都有明确规定。以下几个方面的安装工艺要求值得注意：

(1) 确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、粗的接地线(采用扁平导体或金属网，因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按规定，其接地电阻应小于4欧姆。另外与变频器相连的控制设备(如plc或pid控制仪)要与其共地。

(2) 安装布线时将电源线和控制电缆分开，其它设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线，例如使用立的线槽等。如果控制电路连接线和电源电缆交叉，应成90°交叉布线。

(3) 使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短，条件允许时应采用电缆套管。

(4) 确保控制柜中的接触器有灭弧功能，交流接触器采用r-c抑制器，也可采用压敏电阻抑制器，如果接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要。

(5) 所有的电源线和信号线都应尽量屏蔽，用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地。

(6) 如果变频器运行在对噪声敏感的环境中，可以采用rfi滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到优效果，滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。

4.2 加入电抗器

在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5、7、9、11、13次谐波等)所占的比重比较高，这些谐波除了可能干扰其它设备的正常运行外，还消耗大量的无功功率，使线路的功率因数降低。在输入电路中串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法，如图5所示。根据接线位置不同，分以下两种：

图5 变频器中串入电抗器

(1) 交流电抗器

交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间，如图5中la所示，其作用是抑制谐波电流、　提高功率因数、削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击、削弱电源电压不平衡等。

(2) 直流电抗器

直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间，如图5中的ld，其作用是削弱输入电流中的高次谐波成分并可提高功率因数。

4.3 加入滤波器

如图6所示，为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器，抗传导干扰。

图6 滤波器接法

(1)输入滤波器

根据结构和作用不同，可分为线路滤波器和辐射滤波器。

线路滤波器主要由电感线圈构成，如图6中f11，通过增大线路在高频下的阻抗来削弱　　通过线路传播的频率较高的谐波电流。

辐射滤波器由高频电容器构成，如图6中f12所示，通过吸收的方法来削弱通过辐射传播的干扰信号。

(2) 输出滤波器

在变频器的输出侧和电动机之间串入由电感构成的输出滤波器，可以有效的削弱输出电流中的高次谐波电流引起的附加转矩，改善了电动机的运行特性，如图6中的f0所示。

    注意，在变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通(或关断)瞬间，产生峰值很大的充电(或放电)电流，损坏逆变管[3]。

4.4 隔离

变频器输入侧的谐波电流常常从电流侧进入各种仪器，成为许多仪器的干扰源。针对此情况，应在受器的电源侧采取有效的隔离。方法有电源隔离法和信号隔离法[4]，如图7和图8所示。

    图7中接入隔离变压器，隔离变压器的特点是一、二次绕组的匝数相等，但一、二次侧之间应由金属薄膜进行良好的隔离。一、二次电路中都可接入电容器，如图7中的c1、c2。

    图8中在信号侧接入光电耦合器进行隔离，适用于一些传感器传输线路较长，并采用电流信号的场合。需注意的是：所用光电耦合器应是传输比为1的线性光耦合器；光电耦合器两侧的电容器对传输信号应无衰减作用，即为直流信号时电容量可大些，脉冲信号时则应根据脉冲频率的大小适当选择。

4.5 接地

实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器本身有接地端子pe端，从和降低噪声的需要出发，接地。这里须提醒大家的是：

(1) 不能将地线接在电器设备的外壳上，也不能接在零线上；

(2) 可用较粗的短线一端接到接地端子pe端，另一端与接地相连，接地电阻取值<100ω，接地线长度在20m以内；

(3) 注意选择合理接地方式。变频器的接地方式有单点接地、多点接地及混合接地等几种形式，要根据具体情况采用，要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

●单点接地

    单点接地指在一个电路或装置中，只有一个物理点定义为接地点，在低频下的性能好；

●多点接地

    多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到距它近的接地点，在高频下的性能好；

●混合接地

    混合接地是根据信号频率和接地线长度，系统采用单点接地和多点接地共用的方式。

    以上诸种抗干扰措施，可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等，还须在软件上采取抗干扰措施。

5 结束语

本文通过分析变频调速系统中存在的干扰源，提出了通过设计设置抗干扰环节、注意安装工艺等实际方法，克服和抑制各种干扰。随着变频器抗干扰技术的发展和工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高，变频器的干扰和抗干扰问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决，“”变频器一定会面世。