变频器与上位控制系统

时间:2022-10-25 09:45:39

变频器与上位控制系统

摘要 在大型生产性企业中,变频器得到越来越广泛的应用。本文以变频器在上位控制系统中的应用为前提,简要介绍了变频器控制方式及外部I/O接口考虑因素,供用户在设计和使用时参考。

关键词:变频器;控制方式;外部I/O

一引言

发电厂、石化等大型生产性企业,一般采用以数字化微处理器为基础分散控制系统,分散控制系统控制功能及被控设备物理位置相对分散,而运行操作、设备管理、参数监视相对集中。分散控制系统依靠分布式通讯网络,提供多个控制站点来完成相同的控制任务,各自独立的控制逻辑和计算机资源共享,使分散控制功能具有连续监视、数据采集和报警功能。

分散控制系统由于涉及到具体的控制装置时,名称尚缺乏统一性,本文按其功能统称为上位控制系统,上位控制系统目前主要包括以下三种控制系统:

a) PLC(PLC:programmable logic controller)控制系统;

b) DCS(DCS:distribute control system)集散控制系统;

c) FCS:(FCS:fieldbus control system)现场总线控制系统。

二变频单元及其控制方式

在大型生产性企业中,风机和泵类是主要的耗能设备,由于大型生产企业,风机泵类功率较大,且运行方式一般为连续。为适应企业节能减排、降低厂用电负荷率的要求,在这些生产企业中,广泛使用变频控制装置。

通常变频器可以采用以下两种方式的任一种进行控制:

1) 通过操作面板来实现

目前,一般变频控制单元,均附带有远程图形显示终端,远程图形显示终端一般包括:

a) 图形显示单元或集成LCD七段显示终端

图形显示单元一般用于显示:

― 变频器状态如RDY―准备就绪、RUN―运行等;

― 有效控制通道;

― 频率给定值;

― 控制类型LOC/REM―本地/远控等。

b) 操作键

一般包括:

― STOP/RESET―本地控制电动机停止/故障;

― RUN―本地控制电动机运行

― FWD/REV―改变电动机旋转方向

― HAND/AUTO―手/自动方式

本地/远控方式,各生产厂商做法略有不同,有些生产厂商将切换开关做在变频单元内,有些生产厂商将切换开关做在外部电气回路中。

一般变频单元与电气主回路连接器件包括必选器件和可选器件两种,必选器件包括:熔断器、交流接触器、变频单元等,可选器件包括进行电抗器、滤波器等,可根据供电电源品质及对供电回路的影响程度进行选用。

2) 通过输入外部的控制信号来实现

在大型生产性企业中,根据变频控制单元电压等级,变频单元所在机柜,对于中压变频控制机柜,由于通风及散热要求,一般布置在房间内,而对于低压变频单元,变频控制机柜一般就近布置于工艺设备附近。在存在上位控控制系统的条件下,变频单元就地操作一般只做辅助控制手段,设备控制及运行参数监视由上位控制系统完成。变频单元由上位控制系统集中监控时,必须考虑变频单元与上位控制系统之间的I/O接口

通过输入外部的控制信号对变频器进行控制时,应结合上位控制系统的具体形式,正确灵活的使用控制端子,当然控制端子并非是独立使用,而要配合相应的参数设置,对外部I/O端子进行初始化定义。一般变频器厂商提供的多功能输入端子并不多,在对这些端子进行使用时,可以结合外部的电气控制回路进行使用。对于采用PLC或DCS的上位控制系统,接线形式一般仅采用硬接线连接,对于采用FCS的位控制系统或FCS与PLC/DCS的混合使用的上位控制系统,可采用RS232/RS485或现场总线通讯的方式进行控制,当用户对网络通讯稳定性与实时性较为担扰时,也可以采用硬接线与网络通讯同时采用的方式。

三 外部I/O接口考虑

1)硬接线方式

通过硬接线传输的外部模拟量信号一般包括:

AO―外部频率给定,一般采用4~20mA标准电流信号,作为变频器调速指令输入;

AI―频率反馈,一般采用4~20mA标准电流信号,用作变频器实现转速指示;

AI―电流反馈,一般采用4~20mA标准电流信号,当电动机功率低于75kW时,可以不对电流进行监控。

变频调速指令输入端在使用时,应尽可能使用模拟量信号,防止信号远距离传输过程中,由于引线电阻而产生压降。

通过硬接线传输的外部模拟量信号一般包括:

DO―启动指令;

DO―停止指令。

虽然变频单元可具有正转/反转功能,但做为使用方,除非对于特定控制设备,一般不需要进行配置。如果用户对电动机启动或/停机要求较高,也可以使用正转启动/停止、反转启动/停止进行设置,以防电动机启动对所属流体设备产生较大的冲击或防止电动机处于自由停机状态。

DI―就地/远程信号,用于指示变频器控制位置,此信号一般由变频器控制回路切换开关产生;

DI―运行指示;

DI―停止指示;

DI―报警指示;

故障指示根据变频单元电压等级略有不同,有些中压变频单元具有轻故障和重故障指示,轻故障仍允许变频单元运行,重故障将联锁跳机,通用型变频器一般报警信号产生即表明变频器内部保护功能启动而导致设备停机。

2)通讯方式

采用RS232/RS485或现场总线通讯的方式对变频装置进行控制,可最大限度的利用变频装置的优势,通过组态软件完成上位机的人机接口控制和参数监控,从而实现变频器的远程控制。通过建立标签(tag),使之与需监控的I/O点相关联,从而达到控制现场设备的目的。

就目前实际使用情况而言,低压通用变频器一般在上位控制系统允许的情况下,可直接采用总线连接的方式,完全依靠通讯方式,实现对变频单元的控制,而对于中压设备,由于设备的重要性和昂贵程度,一般仍采用硬接线与通讯相配合的方式。一方面可保证控制的实时性,另一方面,也方便设备与所处系统的工艺设备联锁启/停。用户在使用时,一般仍选择保留上述硬接线方式所述的信号,通讯方式仅做为辅助监控手段。

3)电动机过热保护

对于功率较大或长期低频运行的电动机,由于电动机在额定速度以下运行时,安装在电动机轴上的风扇的冷却效果降低。因此,如果要在低频下长时间连续运行,大多数电动机必须降低额定功率使用。为了保护电动机在这种情况下不致过热而损坏,电动机应装设Pt100铂热电阻。

目前,对于功率较大的泵组,用户在进行电动机及泵组采购时,一般要求电动机定子三相绕组,电动机轴承,泵轴承分别装设Pt100铂热电阻。由于泵组温度测点较多(一般设置,定子三相绕组每相2支,共6支,泵和电动机轴承各2支),此时不建议采用电阻值串联方式,依靠变频器温度保护功能,做电动机过热保护,而应利用上位控制系统,采用上位控制系统进行温度保护,检测精度较高,并可有效的防止变频装置由于检测精度与造成的误动与拒动。

4)电磁防护

为使变频单元具有更好的电磁干扰防护,控制电缆的布线应尽可能远离供电电源线,控制电缆应使用单独的槽盒;在必须与电源线交叉时,相互应采取90º直角交叉。与变频器连接的任何控制设备,包括上位控制系统,也应与变频器一样,用短而粗的接地电缆连接到

同一个接地网或星形接地点。

无论何时,与控制回路的连接线都应采用屏蔽电缆。这一点与上位控制系统相连时,尤其应当注意,目前部分设计院认为,数字量反馈信号由于查询电压等级较低(一般为24VDC或48VDC)应采用屏蔽电缆,而DO指令信号,由于上位控制系统为220VDC/AC扩展输出,可使用非屏蔽电缆,这种做法是较为不妥的。

四结束语

变频单元,特别是高压变频单元,由于其高效节能的特性,优越的控制性能和软启动/停止特性,在大型生产性企业中,得到越来越广泛的应用。变频单元就其控制方式及外部接口,已趋于完备,但其控制接口设置仍相对繁琐,我们希望变频单元生产厂商能面向用户,扩展部分固定I/O接口功能,以方便没有经验的用户配置使用。

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。823

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