淺談PLC與變頻器的幾種連接方式

不外接控制器（如PLC）的情況下，直接操作變頻器有三種方式：

①操作面板上的按鍵；

②操作接線端子連接的部件（如按鈕和電位器）；

③復(fù)合操作（如操作面板設(shè)置頻率，操作接線端子連接的按鈕進(jìn)行啟/停控制）。為了操作方便和充分利用變頻器，也可以采用PLC來控制變頻器。

外接控制器（如PLC）的情況下，間接操作變頻器有三種基本方式：

①以開關(guān)量方式控制；

②以模擬量方式控制；

③以通信方式控制。

（一）PLC以開關(guān)量方式控制變頻器的硬件連接

變頻器有很多開關(guān)量端子，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和多檔轉(zhuǎn)速控制端子等，不使用PLC時，只要給這些端子接上開關(guān)就能對變頻器進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和多檔轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)使用PLC控制變頻器時，若PLC是以開關(guān)量方式對變頻進(jìn)行控制，需要將PLC的開關(guān)量輸出端子與變頻器的開關(guān)量輸入端子連接起來，為了檢測變頻器某些狀態(tài)，同時可以將變頻器的開關(guān)量輸出端子與PLC的開關(guān)量輸入端子連接起來。

PLC以開關(guān)量方式控制變頻器的硬件連接如下圖所示。當(dāng)PLC內(nèi)部程序運(yùn)行使Y001端子內(nèi)部硬觸點(diǎn)閉合時，相當(dāng)于變頻器的STF端子外部開關(guān)閉合，STF端子輸入為ON，變頻器啟動電動機(jī)正轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)10、2、5端子所接電位器可以改變端子2的輸入電壓，從而改變變頻器輸出電源的頻率，進(jìn)而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果變頻器內(nèi)部出現(xiàn)異常時，A、C端子之間的內(nèi)部觸點(diǎn)閉合，相當(dāng)于PLC的X001端子外部開關(guān)閉合，X001端子輸入為ON。

（二）PLC以模擬量方式控制變頻器的硬件連接

變頻器有一些電壓和電流模擬量輸入端子，改變這些端子的電壓或電流輸入值可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果將這些端子與PLC的模擬量輸出端子連接，就可以利用PLC控制變頻器來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。模擬量是一種連續(xù)變化的量，利用模擬量控制功能可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)變化（無級變速）。

PLC以模擬量方式控制變頻器的硬件連接如下圖所示，由于三菱FX2N-32MR型PLC無模擬量輸出功能，需要給它連接模擬量輸出模塊（如FX2N-4DA），再將模擬量輸出模塊的輸出端子與變頻器的模擬量輸入端子連接。當(dāng)變頻器的STF端子外部開關(guān)閉合時，該端子輸入為ON，變頻器啟動電動機(jī)正轉(zhuǎn)，PLC內(nèi)部程序運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)字量數(shù)據(jù)通過連接電纜送到模擬量輸出模塊（DA模塊），由其轉(zhuǎn)換成0～5V或0～10V范圍內(nèi)的電壓（模擬量）送到變頻器2、5端子，控制變頻器輸出電源的頻率，進(jìn)而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果DA模塊輸出到變頻器2、5端子的電壓發(fā)生變化，變頻器輸出電源頻率也會變化，電動機(jī)轉(zhuǎn)速就會變化。

PLC在以模擬量方式控制變頻器的模擬量輸入端子時，也可同時用開關(guān)量方式控制變頻器的開關(guān)量輸入端子。

（三）PLC以通信方式控制變頻器的硬件連接（以RS485為例）

PLC以開關(guān)量方式控制變頻器時，需要占用較多的輸出端子去連接變頻器相應(yīng)功能的輸入端子，才能對變頻器進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止等控制；PLC以模擬量方式控制變頻器時，需要使用DA模塊才能對變頻器進(jìn)行頻率調(diào)速控制。如果PLC以RS485通信方式控制變頻器，只需一根RS485通信電纜（內(nèi)含5根芯線），直接將各種控制和調(diào)頻命令送給變頻器，變頻器根據(jù)PLC通過RS485通信電纜送來的指令就能執(zhí)行相應(yīng)的功能控制。

RS485通信是目前工業(yè)控制廣泛采用的一種通信方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，其通信距離可達(dá)幾十米至上千米。采用RS485通信不但可以將兩臺設(shè)備連接起來進(jìn)行通信，還可以將多臺設(shè)備（最多可并聯(lián)32臺設(shè)備）連接起來構(gòu)成分布式系統(tǒng)，進(jìn)行相互通信。

當(dāng)然還有其它的通訊方式，比如PROFIBUS和Ethernet等。

1.變頻器的RS485通信口

三菱FR500系列變頻器有一個用于連接操作面板的PU口，該接口可用作RS485通信口，在使用RS485方式與其他設(shè)備通信時，需要將操作面板插頭（RJ45插頭）從PU口拔出，再將RS485通信電纜的一端插入PU口，通信電纜另一端連接PLC或其他設(shè)備。三菱FR500系列變頻器PU口外形及各引腳功能說明如下圖所示。

三菱FR500系列變頻器只有一個RS485通信口（PU口），面板操作和RS485通信不能同時進(jìn)行，而三菱FR700系列變頻器除了有一個PU接口外，還單獨(dú)配備了一個RS485通信口（接線排），專用于進(jìn)行RS485通信。三菱FR700系列變頻器RS485通信口外形及各腳功能說明如下圖所示，通信口的每個功能端子都有2個，一個接上一臺RS485通信設(shè)備，另一個端子接下一臺RS485通信設(shè)備，若無下一臺設(shè)備，應(yīng)將終端電阻開關(guān)撥至“100Ω”側(cè)。

2.PLC的RS485通信口

三菱FX PLC一般不帶RS485通信口，如果要與變頻器進(jìn)行RS485通信，須給PLC安裝FX2N-485BD通信板。485BD通信板的外形和端子如下圖(a)所示，通信板的安裝方法如下圖（b）所示。

(a)外形

(b)安裝方法

3.變頻器與PLC的RS485通信連接

(1)單臺變頻器與PLC的RS485通信連接

單臺變頻器與PLC的RS485通信連接如下圖所示，兩者在連接時，一臺設(shè)備的發(fā)送端子（+-）應(yīng)分別與另一臺設(shè)備的接收端子（+-）連接，接收端子（+-）應(yīng)分別與另一臺設(shè)備的發(fā)送端子（+-）連接。

(2)多臺變頻器與PLC的RS485通信連接

多臺變頻器與PLC的RS485通信連接如下圖所示，它可以實(shí)現(xiàn)一臺PLC控制多臺變頻器的運(yùn)行。

（四）PLC控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路、程序及參數(shù)設(shè)置

1.PLC與變頻器的硬件連接線路圖

PLC以開關(guān)量方式控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的線路圖如下圖所示。

2.變頻器的參數(shù)設(shè)置

在使用PLC控制變頻器時，需要對變頻器進(jìn)行有關(guān)參數(shù)設(shè)置，具體見下表。

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3.編寫PLC控制程序

變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置好后，還要用編程軟件編寫相應(yīng)的PLC控制程序并下載給PLC。PLC控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的PLC程序如下圖所示。

（五）PLC控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)多檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電路、程序及參數(shù)設(shè)置

變頻器可以連續(xù)調(diào)速，也可以分檔調(diào)速，F(xiàn)R-500系列變頻器有RH（高速）、RM（中速）和RL（低速）三個控制端子，通過這三個端子的組合輸入，可以實(shí)現(xiàn)7檔轉(zhuǎn)速控制。如果將PLC的輸出端子與變頻器這些端子連接，就可以用PLC控制變頻器來驅(qū)動電動機(jī)多檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

1.PLC與變頻器的硬件連接線路圖

PLC以開關(guān)量方式控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)多檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行的線路圖如下圖所示。

2.變頻器的參數(shù)設(shè)置

在用PLC對變頻器進(jìn)行多檔轉(zhuǎn)速控制時，需要對變頻器進(jìn)行有關(guān)參數(shù)設(shè)置，參數(shù)可分為基本運(yùn)行參數(shù)和多檔轉(zhuǎn)速參數(shù)，具體見下表。

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3.編寫PLC控制程序

PLC以開關(guān)量方式控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)多檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行的PLC程序如下圖。

【延伸閱讀一】西門子PLC與變頻器的模擬量干擾處理實(shí)例

實(shí)例（一）

現(xiàn)象說明：西門子PLC中AO點(diǎn)發(fā)出一路4-20mA電流控制信號，輸出至西門子變頻器，無法控制變頻器啟動。

故障查找

1、疑似模擬量輸出板卡問題，用萬用表測量4-20mA輸出信號，信號是正常的!

2、開始懷疑是變頻器控制信號輸入端有了問題，換了一臺同型號變頻器，問題仍然如此。

3、用一臺手持式信號發(fā)射器做4-20mA輸出信號源，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號至變頻器，這下變頻器啟動了，因而我們排除了模擬量輸出板卡和變頻器的故障。

4、由此推測是變頻器的干擾信號傳導(dǎo)至模擬量通道所致。

5、為了驗(yàn)證，在PLC模擬量4-20mA輸出通道中加裝了一臺信號隔離模塊TA3012，TA3012的輸入端子5、6接模擬量輸出模塊，輸出端子1、2端子接變頻器，3、4端子接外部24VDC供電電源，變頻器正常啟動了。

6、據(jù)此斷定，問題的根源在于變頻器干擾模擬量通道所致。

注意事項(xiàng)

在PLC和變頻器同時使用的自控系統(tǒng)中，應(yīng)該著重注意一下事項(xiàng)：

PLC供電電源與動力系統(tǒng)電源(變頻器電源)分別配置，且PLC的供電應(yīng)該選擇隔離變壓器;

動力線盡量與信號線分開，信號線要做屏蔽;

無論是模擬信號輸入還是模擬信號輸出，模擬量通道一律使用信號隔離模塊;

PLC程序里做軟件濾波設(shè)計(jì);

信號地與動力地分開設(shè)計(jì)。

實(shí)例（二）

前段時間看到一個關(guān)于模擬量干擾問題的分析和解決，在我們實(shí)際運(yùn)用中會碰到很多類似的問題。和大家一起分享：“車間有10臺250KW電機(jī)，負(fù)載為高壓泵。變頻器用施耐德ATV71跟PLC通過DP聯(lián)接，PLC使用的西門子300，壓力變送器為西門子，變送器到PLC為4-20mA模擬量，中間使用屏蔽線輸入。

調(diào)試好后運(yùn)行一周一切正常。廠家走后，開機(jī)忽然出現(xiàn)8號泵，設(shè)定40公斤壓力，實(shí)際值為70公斤。設(shè)定80公斤壓力實(shí)際值為110公斤。剛開始懷疑傳感器故障，替換到其他泵上一切正常。之后變頻器全開，3，4，5，6，7，9，10號泵也出現(xiàn)類似問題。推測為壓力傳感器受到變頻器干擾造成。廠家建議增加金屬管屏蔽。但是考慮到現(xiàn)場施工難度（控制室距電機(jī)30多米，全部走的地下線纜溝）。并且我認(rèn)為變頻器的諧波干擾應(yīng)該是壓力值上下波動，很少見到有干擾造成呈線性增大的。剛開始懷疑廠家程序有問題，因?yàn)轱@示屏這邊始終顯示的壓力值是40公斤，但是變頻器卻輸出70公斤的頻率。廠家不同意該觀點(diǎn)，說自己絕對用的西門子標(biāo)準(zhǔn)PID塊。

百思不得其解。無意中發(fā)現(xiàn)，廠家傳感器負(fù)跟屏蔽層同時接入到PLC模擬量輸入端的M。拆下屏蔽線后將其接入設(shè)備的地后故障消除。推測：2線制傳感器，正極有PLC提供24V電壓，負(fù)極則是傳感器用來輸出4-20mA電流的地方。屏蔽線跟負(fù)極接到一起后，屏蔽線上的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生電流一起進(jìn)入了PLC輸入端造成了一個疊加的電流，從而形成壓力值線性的增加。?

結(jié)果運(yùn)行沒2天又出現(xiàn)同樣情況，并且更嚴(yán)重的是其中一個壓力傳感器拆除了居然還有40公斤壓力，最終檢查發(fā)現(xiàn)PLC輸入側(cè)負(fù)極剝線剝長了，相互之間短路了，造成其他通道的信號串出來了。這才想起來，剛開始調(diào)試的時候廠家問我是不是設(shè)備地跟柜子地不在一個地上。壓力傳感器屏蔽線2端接地后，干擾還特別厲害。都無法顯示。我也沒多想隨口來了句，單端接地。之后他們說好了。現(xiàn)在想來，應(yīng)該是當(dāng)初每個傳感器的電流輸出側(cè)都通過屏蔽線聯(lián)到了一起造成了短路，之后拆除了傳感器側(cè)的地線。由于屏蔽線沒接到一起所以信號正常了。

【延伸閱讀二】施耐德PLC與變頻器 Modbus通信實(shí)例

PLC通過Modbus監(jiān)控變頻器的運(yùn)行是工業(yè)中較常見的應(yīng)用，本文以施耐德M340 PLC與ATV71變頻器為例，簡要介紹PLC與變頻器之間Modbus串行通信的過程，包括硬件接線、變頻器參數(shù)設(shè)置、硬軟件組態(tài)、上電調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)在PLC上遠(yuǎn)程控制ATV71變頻器的故障初始化，啟動/停止，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，頻率給定等。

1、M340與ATV71的Modbus連接

2、M340硬件組態(tài)

?3、程序?qū)崿F(xiàn)

時間令牌：為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，容許帶多個變頻器，而在PLC的每個掃描周期最多只能有8個通信模塊（READ _VAR / WRITE _VAR）同時處于通信激活狀態(tài)，那么要控制多個變頻器時，需要對變頻器進(jìn)行分時控制，這里設(shè)置時間令牌就是為了讓多個變頻器輪流通信。

每個變頻器擁有一個唯一的時間令牌號，只有在當(dāng)前的時間令牌等于此變頻器的時間令牌時，通信塊才會被允許激活。

【延伸閱讀三】如何選擇與負(fù)載最匹配的變頻器？

（一）變頻負(fù)載分類

變頻器的正確選擇對于控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負(fù)載特性。人們在實(shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械分為三種類型: 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機(jī) 、水泵負(fù)載。

（01）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速 n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、攪拌機(jī)，擠壓機(jī)等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機(jī)等位能負(fù)載都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時，低速下的轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩(wěn)速運(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)的散熱能力，避免電動機(jī)的溫升過高。

（02）恒功率負(fù)載

機(jī)床主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時,受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL 不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。如果電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率 調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一 致時，即所謂“ 匹配” 的情況下， 電動機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。

（03）風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載

在各種風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致 與速度n 的 2 次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的2 次方減小。這種負(fù)載所需的功率與速度的3 次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量、流量減小時，利用變頻器通過調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度地節(jié)約電能。由于高速時所需功率隨轉(zhuǎn)速增長過快，與速度的三次方成正比 ，所以通常不應(yīng)使風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載超工頻運(yùn)行。

（二）變頻選型原則

（01）根據(jù)負(fù)載特性選擇變頻器，如負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載可選擇西門子MM420/440變頻器，如負(fù)載為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載可選擇西門子MM430變頻器。

（02）選擇變頻器時應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。另外應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有高次諧波，會造成電動機(jī)的功率因數(shù)和效率都會變壞。因此，用變頻器給電動機(jī)供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動機(jī)的電流增加10％而溫升增加約20％。所以在選擇電動機(jī)和變頻器時，應(yīng)考慮到這中情況，適當(dāng)留有裕量，以防止溫升過高，影響電動機(jī)的使用壽命。

（03）變頻器若要長電纜運(yùn)行時，此時應(yīng)該采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠，所以變頻器應(yīng)放大一檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

（04）對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率（尤其是在樓宇自控等對噪音限制較高的應(yīng)用場所使用時需注意）、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。

（05）當(dāng)變頻器用于控制并聯(lián)的幾臺電機(jī)時，一定要考慮變頻器到電動機(jī)的電纜的長度總和在變頻器的容許范圍內(nèi)。如果超過規(guī)定值，要放大一檔或兩檔來選擇變頻器。另外在此種情況下，變頻器的控制方式只能為V／F控制方式，并且變頻器無法保護(hù)電動機(jī)的過流、過載保護(hù)，此時需在每臺電動機(jī)上加熔斷器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

（06）對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。

（07）使用變頻器控制高速電機(jī)時，由于高速電動機(jī)的電抗小，高次諧波亦增加輸出電流值。因此，選擇用于高速電動機(jī)的變頻器時，應(yīng)比普通電動機(jī)的變頻器稍大一些。

（08）變頻器用于變極電動機(jī)時，應(yīng)充分注意選擇變頻器的容量，使其最大額定電流在變頻器的額定輸出電流以下。另外，在運(yùn)行中進(jìn)行極數(shù)轉(zhuǎn)換時，應(yīng)先停止電動機(jī)工作，否則會造成電動機(jī)空轉(zhuǎn)，惡劣時會造成變頻器損壞。

（09）驅(qū)動防爆電動機(jī)時，變頻器沒有防爆構(gòu)造，應(yīng)將變頻器設(shè)置在危險場所之外。

（10）使用變頻器驅(qū)動齒輪減速電動機(jī)時，使用范圍受到齒輪轉(zhuǎn)動部分潤滑方式的制約。潤滑油潤滑時，在低速范圍內(nèi)沒有限制；在超過額定轉(zhuǎn)速以上的高速范圍內(nèi)，有可能發(fā)生潤滑油用光的危險。因此，不要超過最高轉(zhuǎn)速容許值。

（11）變頻器驅(qū)動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)時，大多是利用已有的電動機(jī)。繞線電動機(jī)與普通的鼠籠電動機(jī)相比，繞線電動機(jī)繞組的阻抗小。因此，容易發(fā)生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比通常容量稍大的變頻器。一般繞線電動機(jī)多用于飛輪力矩GD2較大的場合，在設(shè)定加減速時間時應(yīng)多注意。

（12）變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)時，與工頻電源相比，降低輸出容量10％～20％，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于同步電動機(jī)額定電流與同步牽入電流的標(biāo)幺值的乘積。

（13）對于壓縮機(jī)、振動機(jī)等轉(zhuǎn)矩波動大的負(fù)載和油壓泵等有峰值負(fù)載情況下，如果按照電動機(jī)的額定電流或功率值選擇變頻器的話，有可能發(fā)生因峰值電流使過電流保護(hù)動作現(xiàn)象。因此，應(yīng)了解工頻運(yùn)行情況，選擇比其最大電流更大的額定輸出電流的變頻器。變頻器驅(qū)動潛水泵電動機(jī)時，因?yàn)闈撍秒妱訖C(jī)的額定電流比通常電動機(jī)的額定電流大，所以選擇變頻器時，其額定電流要大于潛水泵電動機(jī)的額定電流。

（14）當(dāng)變頻器控制羅茨風(fēng)機(jī)時，由于其起動電流很大，所以選擇變頻器時一定要注意變頻器的容量是否足夠大。

（15）選擇變頻器時，一定要注意其防護(hù)等級是否與現(xiàn)場的情況相匹配。否則現(xiàn)場的灰塵、水汽會影響變頻器的長久運(yùn)行。

（16）單相電動機(jī)不適用變頻器驅(qū)動。

（17）電機(jī)負(fù)載非常輕時，即使電機(jī)負(fù)載電流在變頻器額定電流之內(nèi)，亦不能使用比電機(jī)容量小很多的變頻器。這是因?yàn)殡姍C(jī)的電抗隨電機(jī)的容量而不同，即使電機(jī)負(fù)載相同，電機(jī)容量越大其脈動電流值也越大，因而有可能超過變頻器的電流容許值。

（18）如果變頻器的供電電源是自備電源，最好加上進(jìn)線電抗器。

編輯：黃飛

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