1.設計的基礎資料

在通用變頻器與PLC控制柜設計前，首先要了解系統概況，如通用變頻器與PLC的供電質量、工作方式、應用環境、是新增加的系統還是設備改造、控制方式及其他具體要求，如手動／自動、本地／遠程、是否需要通信連網。對舊設備改造，應該確切知道如下技術參數及要求：電動機的具體參數，包括額定功率、額定轉速、額定電壓、額定電流等；電動機的負載特性、工作制、運行方式等，最好能取得以往的運行數據：工作環境，如現場的運行環境溫度、防護等級、EMC等級、防爆等級；通用變頻器與PLC控制柜的安裝位置及與電動機間的實際距離；通用變頻器與PLC控制柜與原有電氣系統的關系；需要引人的傳感器信號參數及采樣地點；另外還要考慮實現符合EMC要求需采取的措施的可能性，如接地、電磁干擾、浪涌抑制、電磁輻射、防雷等措施。對新增加的通用變頻器與PLC控制系統，應對傳動系統負載特性有深入了解，根據負載特性、電動機容量，選用通用變頻器與PLC的品牌、類型、容量及應具備的功能等，另外也同樣要考慮如上所述的內容。

2.通用變頻器與PLC控制柜的設計內容

對通用變頻器與PLC控制柜的電氣設計時應按如下幾個方面進行。

(1）電氣系統圖設計

通用變頻器與PLC控制系統的電氣系統圖設計包括電氣原理圖設計、主電路設計、控制電路設計。控制電路設計包括繼電邏輯控制電路、PLC控制接口電路、通信連網系統圖等。其中，主電路設計按如下順序選擇主回路電器元件。根據確定的負載特性和電動機參數選擇通用變頻器；根據技術條件和實際需要，選擇低壓斷路器、交流接觸器、制動電阻等，低壓斷路器及交流接觸器等開關器件一般按通用變頻器的額定電流的1.2倍選擇。

(2）電氣工藝設計

通用變頻器與PLC控制系統的電氣工藝設計包括變頻控制柜包括飯金工藝設計、電氣配線工藝設計、電氣安裝工藝設計等。其中，電氣配線工藝設計包括電線電纜類型、線徑、走向、線色、編號、進出線電纜管接頭配置、接地配線、抗干擾布線措施等，除要進行必要的導線截面計算與選擇外，還應進行EMC設計，并應按照有關外殼防護等級、顏色規定等國家標準配置導線、指示燈和按鈕等。對于控制回路設計，應注意將輸入／輸出的弱電信號如PLC、儀表、傳感器等采取隔離措施，必要時應加裝濾波器、浪涌吸收器、電抗器等；控制回路電源易采用隔離變壓器進行電氣隔離。控制電纜應采用屏蔽電纜，強電電纜最好也采用帶屏蔽電纜，電纜及屏蔽層用金屬卡固定安裝在屏蔽總排上。

1）飯金工藝設計

銀金工藝設計應根據電氣系統圖設計，應充分考慮工作環境、溫度、濕度、振動、有無爆炸、有無腐蝕性氣體、柜體承載重量等，柜體上一定要考慮設置合適的通風散熱通道，柜下部進風處應設置過濾網，防止灰塵和油霧等雜質進入柜內。通用變頻器與PLC的環境濕度允許為90%以下，濕度過高，會使電氣絕緣降低、金屬部分腐蝕，如果受安裝場所的限制，變頻器不得不安裝在濕度高的場所，變頻器的柜體應采取密封措施或采用密封結構。另外，若地處沿海具有鹽霧、潮濕和腐蝕氣體等環境，還應有防潮防腐措施。為了防止變頻器結露，需加對流加熱器，在柜內設置加熱器，如電熱板加熱、遠紅外電加熱裝置等，并能根據環境情況自動地將電加熱器投入運行，去濕和干燥。另外要考慮柜體上所需要的標示牌及銘牌。為了運輸安全和方便，一般要加裝吊裝掛鉤，保證搬運安全。除上述外，應根據抗電磁干擾和屏蔽輻射的能力進行必要的設計。

2）安裝底板設計

為了提高電氣控制柜的抗電磁干擾和屏蔽輻射的能力，控制柜內應有變頻器專用安裝底板，控制柜內的所有金屬部件都必須相互金屬性連接在一起。其中，控制柜的蓋板，例如邊蓋板、后蓋板、上蓋板、中間隔板相互連通并保持足夠的問距；邊蓋板、后蓋板、支撐托架、安裝附件和上蓋板必須通過柜的框架組裝并進行金屬性連接；在噴漆和電鍍的金屬件上進行螺釘連接，應采用能保證金屬性連接的墊圈進行連接，也可以在安裝前去掉連接部位的表面涂層后再連接，對于大面積去除涂層，為避免長期使用時出現銹蝕，必須考慮附加措施，例如涂上油脂等；各個被連接的部件，包括螺釘、帶鋸齒連接墊片等的電化學成分必須接近一致。

3）屏蔽設計

電氣控制柜的屏蔽效果會受到諸如預開的通風窗口、觀察窗口、操作單元等的影響，如果這些開窗達到干擾信號波長的一半，控制柜將失去屏蔽效果。例如當電磁干擾信號＝500MHz,1/2波長＝30cm；當電磁干擾信號＝1000MHz,1/2波長＝15cm等。因此，電氣控制柜內開的通風窗口的形式為，交錯排列的孔狀或密度高的網格狀比狹縫式的好，因為狹縫會在柜中傳導高頻信號；操作面板安裝在控制柜門板上時，必須保證其金屬安裝框架的四面緊密安裝，緊固螺釘的扭矩適當。屏蔽電纜進線口應直接連接柜殼對地屏蔽，防止柜內的干擾磁場通過已被屏蔽的電纜泄漏出去。在屏蔽電纜進線口的位置，其外部屏蔽部分與柜內嵌板都要進行金屬性連接，若柜殼有涂層，必須去除圍繞滲漏干擾部位的隔離保護層，確保電纜進線口接觸可靠。另外，選擇適當的金屬材料以保證以上接觸部位不被銹蝕。電源濾波器外殼必須與柜殼有大面積的接觸安裝面。柜內應設置屏蔽總線，用于各個電纜的可靠屏蔽連接，橫梁式接地排和等電位排都可以作為屏蔽總線使用。接地排作為保護地，而等電位排作為功能地使用。接地排還要通過另外的電纜與保護接地電極連接，只有這樣才能安全的釋放和旁路電磁干擾電流。

4）走線設計

安裝好電氣控制柜內包括通用變頻器與PLC在內的元件即正確處理各種走線是最基本的工作，但往往由于安裝不當，引起通用變頻器與PLC及設備運行異常或損壞，設計時應注意安裝工藝設計。通用變頻器與PLC除非必要和允許，必須垂直向上安裝，并留足安裝空間，一般上下空間應大于120mm，左右空間應大于50mm，還必須可靠接地。在當安裝柜內電氣元件時，必須可靠地將這些部件準確無誤的安裝在支撐托架或導軌上，從而能使它們正常的工作，另外還要檢查緊固螺釘所用的扭矩是否得到保證。不能將操作面板安裝在靠電纜和帶有線圈設備很近的地方，例如電游、電纜、接觸器、繼電器、螺線管閥、變壓器等，因為它們可以產生很強的磁場。功率部件（變壓器、驅動部件、負載功率電源等）與控制部件（繼電器控制部分、PLC等）必須分開安裝。但是，變頻器和相關的濾波器的金屬外殼必須與柜體進行金屬性連接，理想的情況是將它們安裝到導電良好的金屬板上，并將金屬板安裝到柜體框架上，盡量避免將它們安裝在噴過漆的安裝板、DIN導軌或其他支撐表面很小的安裝件上，這些都不符合EMC要求。

5）抗干擾設計

用于通用變頻器與PLC的抗干擾抑制器，不能用于其他產品，電源濾波器必須安裝在靠近主電源供電饋人線端。電纜安裝的基本原則是：

信號電纜線和電源電纜線最大可能地遠離，如果不可能使電纜保持適當的距離，則必須使用屏蔽良好的屏蔽電纜和接地良好的金屬電纜管道走線。所有電纜都應盡量安排在離金屬外殼部件近一些的位置，如控制柜面板、安裝板、橫梁、金屬導軌等。

信號電纜與電源電纜可以交叉，但絕對不要相互并行走線。信號電纜、數據電纜、動力電纜和電源電纜要分別排線，在柜中的最小距離為20mm，如有必要應采用接地的隔離部件。

相同電路的未被屏蔽的電纜應采用雙絞線或將發送線和接收線之間的距離安排得盡量靠近一些。信號電纜和與之相連的等電位聯結導體盡量安排為最短距離。信號電纜必須遠離那些能產生嚴重的磁場干擾信號的設備，如電動機、變壓器等。只要有可能，所有的信號電纜、數據電纜都應該在同一水平高度進入柜中，如都安排在由柜底部進入。避免使用多余長度的電纜，走線多余的部分應剪掉。信號電纜，尤其是設定值和實際值電纜，安裝時不能被中斷。在遇到屏蔽電纜的芯線斷開時，必須確保屏蔽連接的延續性，延續屏蔽的正確方法應是通過具有良好屏蔽接觸和抗高頻干擾的插頭（座）來保證，在有些情況下，需要中斷屏蔽連接，應從電纜插頭分線上中斷，并在插頭（接線端子）之前和之后將電纜的屏蔽層用螺釘連接的形式固定到屏蔽總線排上。

具有大電流、高電壓的脈動負載線都應分別安裝。必須用金屬電纜支架托住電纜。各個電纜支架連接處必須保證金屬性連接并接地。特殊部位應采取措施保護電纜免遭機械損傷，如利用電纜護管或護套，在實際使用中遇有拖拽電纜的情況時，一定要使用特殊電纜。如果不能將電纜直接連接到等屏蔽總接線排上，也可以通過將電纜屏蔽層與夾持型導軌連接到一起，從而實現良好的屏蔽。

對于五金件的安裝，應考慮不同部位的扭力規定，不要將接線端子的連接螺釘擰得太緊，從而擠壞電纜。

6）通用變頻器與PLC的安裝方法

以下簡單介紹幾種通用變頻器與PLC的安裝方法，供參考。

①壁掛式安裝。目前大多數通用變頻器與PLC都為壁掛式安裝方式，只要利用通用變頻器與PLC的固定掛孔用螺栓固定即可。這種安裝方式只適用于無塵、無滴、防潮、以及溫度適宜的室內環境中使用。

②掛箱式安裝。將通用變頻器與PLC安裝在電氣箱內或者安裝在機械設備的內腔內。在箱內變頻器垂直向上安裝，并留足散熱空間。通用變頻器與PLC的使用環境溫度與元件的使用溫度有關，通常應該在5-40℃的范圍內。柜內下方要有進氣通道，上方要有排氣通道，進排氣通道應有避免異物掉入和避免液體滴入的防護。這種安裝方式適用于一般工業場合。

③柜內安裝。將通用變頻器與PLC安裝在電氣柜內。在柜內，變頻器與PLC應垂直向上安裝在柜體的中下部，柜體上部一般安裝電器元件，千萬不能將變頻器與PLC設置在柜內熱空氣聚集的最上部。為確保通風空間，變頻器與PLC上下部要和其他的設備、配線管等之間應維持充分的間隔距離。柜內下方要有進氣通道，上方要有排氣通道，并加裝排氣扇，使排氣暢通；進排氣通道要裝金屬絲網以避免灰塵、液體和異物進入柜內。這種安裝方式適用于一般工業設備就地控制的場合。

④封閉性安裝。將通用變頻器與PLC安裝在封閉的電氣柜內，柜內通用變頻器與PLC垂直向上安裝，并留足空間。電氣柜內下方要有進氣通道，上方要有排氣通道。電氣柜內裝一臺空調器，讓空調器的排氣孔通過風道進入電氣柜內的下方進氣通道：電氣柜內的上方排氣通道通過風道進入空調器的進氣孔，使空調器運行時的冷空氣能進入電氣柜內下方；電氣柜內上方的熱空氣進入空調器進行熱交換，使空氣變冷后再進入新的循環。空調器的熱交換散熱器將電氣柜內的熱量排出柜外。電氣柜內由于密封，所以具有除塵、防j朝、防滴、防水、降溫、散熱等優點，使通用變頻器與PLC在良好的封閉低溫空間中安全運行。這種安裝方式適用于紡織廠、化學工廠、皮革制造廠、食品加工廠、礦山等運行環境惡劣的場所。

⑤與機械設備配套安裝。在有些機械成套設備中，由于結構原因不能將通用變頻器與PLC安裝在設備外部，而要求安裝在設備內腔內，將操作面板或者調速旋鈕與設備的操作面板統一布置安裝。通常采取三種方法。

a）目前多數通用變頻器的操作面板可與主體分離，這樣只需將操作面板用專用電纜和接插件與設備的操作面板統一設計連接即可。

b）從通用變頻器與PLC的外部控制端子上引出控制按鈕、調速電位器或模擬信號、顯示信號和報警信號等，并將它直接設計并安裝在設備操作面板上，這種方法既方便又實用。

c）目前已有生產機械設備專用的一體化變頻器，變頻器主體上無任何操作部件，操作部件提供給用戶，通過電纜線接入變頻器。

審核編輯 黃昊宇