通用变频器和PLC控制柜的设计示例

1.设计的基础资料

在通用变频器与PLC控制柜设计前，首先要了解系统概况，如通用变频器与PLC的供电质量、工作方式、应用环境、是新增加的系统还是设备改造、控制方式及其他具体要求，如手动/自动、本地/远程、是否需要通信连网。对旧设备改造，应该确切知道如下技术参数及要求：电动机的具体参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等；电动机的负载特性、工作制、运行方式等，最好能取得以往的运行数据；工作环境，如现场的运行环境温度、防护等级、EMC等级、防爆等级；通用变频器与PLC控制柜的安装位置及与电动机间的实际距离；通用变频器与PLC控制柜与原有电气系统的关系；需要引入的传感器信号参数及采样地点；另外还要考虑实现符合EMC要求需采取的措施的可能性，如接地、电磁干扰、浪涌抑制、电磁辐射、防雷等措施。对新增加的通用变频器与PLC控制系统，应对传动系统负载特性有深入了解，根据负载特性、电动机容量，选用通用变频器与PLC的品牌、类型、容量及应具备的功能等，另外也同样要考虑如上所述的内容。

2.通用变频器与PLC控制柜的设计内容

对通用变频器与PLC控制柜的电气设计时应按如下几个方面进行。

（1）电气系统图设计

通用变频器与PLC控制系统的电气系统图设计包括电气原理图设计、主电路设计、控制电路设计。控制电路设计包括继电逻辑控制电路、PLC控制接口电路、通信连网系统图等。其中，主电路设计按如下顺序选择主回路电器元件。根据确定的负载特性和电动机参数选择通用变频器；根据技术条件和实际需要，选择低压断路器、交流接触器、制动电阻等，低压断路器及交流接触器等开关器件一般按通用变频器的额定电流的1.2倍选择。

（2）电气工艺设计

电气柜、箱及非标准零件图的基本设计步骤见5.3.3节。通用变频器与PLC控制系统的电气工艺设计包括变频控制柜包括钣金工艺设计、电气配线工艺设计、电气安装工艺设计等。其中，电气配线工艺设计包括电线电缆类型、线径、走向、线色、编号、进出线电缆管接头配置、接地配线、抗干扰布线措施等，除要进行必要的导线截面计算与选择外，还应进行EMC设计，并应按照有关外壳防护等级、颜色规定等国家标准配置导线、指示灯和按钮等。对于控制回路设计，应注意将输入/输出的弱电信号如PLC、仪表、传感器等采取隔离措施，必要时应加装滤波器、浪涌吸收器、电抗器等；控制回路电源易采用隔离变压器进行电气隔离。控制电缆应采用屏蔽电缆，强电电缆最好也采用带屏蔽电缆，电缆及屏蔽层用金属卡固定安装在屏蔽总排上。

1）钣金工艺设计

钣金工艺设计应根据电气系统图设计，应充分考虑工作环境、温度、湿度、振动、有无爆炸、有无腐蚀性气体、柜体承载重量等，柜体上一定要考虑设置合适的通风散热通道，柜下部进风处应设置过滤网，防止灰尘和油雾等杂质进入柜内。通用变频器与PLC的环境湿度允许为90%以下，湿度过高，会使电气绝缘降低、金属部分腐蚀，如果受安装场所的限制，变频器不得不安装在湿度高的场所，变频器的柜体应采取密封措施或采用密封结构。另外，若地处沿海具有盐雾、潮湿和腐蚀气体等环境，还应有防潮防腐措施。为了防止变频器结露，需加对流加热器，在柜内设置加热器，如电热板加热、远红外电加热装置等，并能根据环境情况自动地将电加热器投入运行，去湿和干燥。另外要考虑柜体上所需要的标示牌及铭牌。为了运输安全和方便，一般要加装吊装挂钩，保证搬运安全。除上述外，应根据抗电磁干扰和屏蔽辐射的能力进行必要的设计。

2）安装底板设计

为了提高电气控制柜的抗电磁干扰和屏蔽辐射的能力，控制柜内应有变频器专用安装底板，控制柜内的所有金属部件都必须相互金属性连接在一起。其中，控制柜的盖板，例如边盖板、后盖板、上盖板、中间隔板相互连通并保持足够的间距；边盖板、后盖板、支撑托架、安装附件和上盖板必须通过柜的框架组装并进行金属性连接；在喷漆和电镀的金属件上进行螺钉连接，应采用能保证金属性连接的垫圈进行连接，也可以在安装前去掉连接部位的表面涂层后再连接，对于大面积去除涂层，为避免长期使用时出现锈蚀，必须考虑附加措施，例如涂上油脂等；各个被连接的部件，包括螺钉、带锯齿连接垫片等的电化学成分必须接近一致。

3）屏蔽设计

电气控制柜的屏蔽效果会受到诸如预开的通风窗口、观察窗口、操作单元等的影响，如果这些开窗达到干扰信号波长的一半，控制柜将失去屏蔽效果。例如当电磁干扰信号=500MHz，1/2波长=30cm；当电磁干扰信号=1000MHz，1/2波长=15cm等。因此，电气控制柜内开的通风窗口的形式为，交错排列的孔状或密度高的网格状比狭缝式的好，因为狭缝会在柜中传导高频信号；操作面板安装在控制柜门板上时，必须保证其金属安装框架的四面紧密安装，紧固螺钉的扭矩适当。屏蔽电缆进线口应直接连接柜壳对地屏蔽，防止柜内的干扰磁场通过已被屏蔽的电缆泄漏出去。在屏蔽电缆进线口的位置，其外部屏蔽部分与柜内嵌板都要进行金属性连接，若柜壳有涂层，必须去除围绕渗漏干扰部位的隔离保护层，确保电缆进线口接触可靠。另外，选择适当的金属材料以保证以上接触部位不被锈蚀。电源滤波器外壳必须与柜壳有大面积的接触安装面。柜内应设置屏蔽总线，用于各个电缆的可靠屏蔽连接，横梁式接地排和等电位排都可以作为屏蔽总线使用。接地排作为保护地，而等电位排作为功能地使用。接地排还要通过另外的电缆与保护接地电极连接，只有这样才能安全的释放和旁路电磁干扰电流。

4）走线设计

安装好电气控制柜内包括通用变频器与PLC在内的元件即正确处理各种走线是最基本的工作，但往往由于安装不当，引起通用变频器与PLC及设备运行异常或损坏，设计时应注意安装工艺设计。通用变频器与PLC除非必要和允许，必须垂直向上安装，并留足安装空间，一般上下空间应大于120mm，左右空间应大于50mm，还必须可靠接地。在当安装柜内电气元件时，必须可靠地将这些部件准确无误的安装在支撑托架或导轨上，从而能使它们正常的工作，另外还要检查紧固螺钉所用的扭矩是否得到保证。不能将操作面板安装在靠电缆和带有线圈设备很近的地方，例如电源电缆、接触器、继电器、螺线管阀、变压器等，因为它们可以产生很强的磁场。功率部件（变压器、驱动部件、负载功率电源等）与控制部件（继电器控制部分、PLC等）必须分开安装。但是，变频器和相关的滤波器的金属外壳必须与柜体进行金属性连接，理想的情况是将它们安装到导电良好的金属板上，并将金属板安装到柜体框架上，尽量避免将它们安装在喷过漆的安装板、DIN导轨或其他支撑表面很小的安装件上，这些都不符合EMC要求。

5）抗干扰设计(www.xing528.com)

用于通用变频器与PLC的抗干扰抑制器，不能用于其他产品，电源滤波器必须安装在靠近主电源供电馈入线端。电缆安装的基本原则是：

信号电缆线和电源电缆线最大可能地远离，如果不可能使电缆保持适当的距离，则必须使用屏蔽良好的屏蔽电缆和接地良好的金属电缆管道走线。所有电缆都应尽量安排在离金属外壳部件近一些的位置，如控制柜面板、安装板、横梁、金属导轨等。

信号电缆与电源电缆可以交叉，但绝对不要相互并行走线。信号电缆、数据电缆、动力电缆和电源电缆要分别排线，在柜中的最小距离为20mm，如有必要应采用接地的隔离部件。

相同电路的未被屏蔽的电缆应采用双绞线或将发送线和接收线之间的距离安排得尽量靠近一些。信号电缆和与之相连的等电位联结导体尽量安排为最短距离。信号电缆必须远离那些能产生严重的磁场干扰信号的设备，如电动机、变压器等。只要有可能，所有的信号电缆、数据电缆都应该在同一水平高度进入柜中，如都安排在由柜底部进入。避免使用多余长度的电缆，走线多余的部分应剪掉。信号电缆，尤其是设定值和实际值电缆，安装时不能被中断。在遇到屏蔽电缆的芯线断开时，必须确保屏蔽连接的延续性，延续屏蔽的正确方法应是通过具有良好屏蔽接触和抗高频干扰的插头（座）来保证，在有些情况下，需要中断屏蔽连接，应从电缆插头分线上中断，并在插头（接线端子）之前和之后将电缆的屏蔽层用螺钉连接的形式固定到屏蔽总线排上。

具有大电流、高电压的脉动负载线都应分别安装。必须用金属电缆支架托住电缆。各个电缆支架连接处必须保证金属性连接并接地。特殊部位应采取措施保护电缆免遭机械损伤，如利用电缆护管或护套，在实际使用中遇有拖拽电缆的情况时，一定要使用特殊电缆。如果不能将电缆直接连接到等屏蔽总接线排上，也可以通过将电缆屏蔽层与夹持型导轨连接到一起，从而实现良好的屏蔽。

对于五金件的安装，应考虑不同部位的扭力规定，不要将接线端子的连接螺钉拧得太紧，从而挤坏电缆。

6）通用变频器与PLC的安装方法

以下简单介绍几种通用变频器与PLC的安装方法，供参考。

①壁挂式安装。目前大多数通用变频器与PLC都为壁挂式安装方式，只要利用通用变频器与PLC的固定挂孔用螺栓固定即可。这种安装方式只适用于无尘、无滴、防潮以及温度适宜的室内环境中使用。

②挂箱式安装。将通用变频器与PLC安装在电气箱内或者安装在机械设备的内腔内。在箱内变频器垂直向上安装，并留足散热空间。通用变频器与PLC的使用环境温度与元件的使用温度有关，通常应该在5～40℃的范围内。柜内下方要有进气通道，上方要有排气通道，进排气通道应有避免异物掉入和避免液体滴入的防护。这种安装方式适用于一般工业场合。

③柜内安装。将通用变频器与PLC安装在电气柜内。在柜内，变频器与PLC应垂直向上安装在柜体的中下部，柜体上部一般安装电器元件，千万不能将变频器与PLC设置在柜内热空气聚集的最上部。为确保通风空间，变频器与PLC上下部要和其他的设备、配线管等之间应维持充分的间隔距离。柜内下方要有进气通道，上方要有排气通道，并加装排气扇，使排气畅通；进排气通道要装金属丝网以避免灰尘、液体和异物进入柜内。这种安装方式适用于一般工业设备就地控制的场合。

④封闭性安装。将通用变频器与PLC安装在封闭的电气柜内，柜内通用变频器与PLC垂直向上安装，并留足空间。电气柜内下方要有进气通道，上方要有排气通道。电气柜内装一台空调器，让空调器的排气孔通过风道进入电气柜内的下方进气通道；电气柜内的上方排气通道通过风道进入空调器的进气孔，使空调器运行时的冷空气能进入电气柜内下方；电气柜内上方的热空气进入空调器进行热交换，使空气变冷后再进入新的循环。空调器的热交换散热器将电气柜内的热量排出柜外。电气柜内由于密封，所以具有除尘、防潮、防滴、防水、降温、散热等优点，使通用变频器与PLC在良好的封闭低温空间中安全运行。这种安装方式适用于纺织厂、化学工厂、皮革制造厂、食品加工厂、矿山等运行环境恶劣的场所。

⑤与机械设备配套安装。在有些机械成套设备中，由于结构原因不能将通用变频器与PLC安装在设备外部，而要求安装在设备内腔内，将操作面板或者调速旋钮与设备的操作面板统一布置安装。通常采取三种方法。

a）目前多数通用变频器的操作面板可与主体分离，这样只需将操作面板用专用电缆和接插件与设备的操作面板统一设计连接即可。

b）从通用变频器与PLC的外部控制端子上引出控制按钮、调速电位器或模拟信号、显示信号和报警信号等，并将它直接设计并安装在设备操作面板上，这种方法既方便又实用。

c）目前已有生产机械设备专用的一体化变频器，变频器主体上无任何操作部件，操作部件提供给用户，通过电缆线接入变频器。