湯雪華， 陳江洪， 唐麗嬋

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院，上海200070）

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的推動(dòng)，高壓變頻器作為變頻器中的高端產(chǎn)品，在石油、化工、建材、電力、礦山、塑料、治金、水利等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logic Controlle，PLC）、觸摸屏（Human Machine Interface，HMI）、單片機(jī)等作為高壓變頻器中的電氣控制核心，這些產(chǎn)品的功能與性能關(guān)系著整個(gè)高壓變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。具備交互式操作界面、數(shù)據(jù)列表、報(bào)警記錄和打印等功能已成為工控系統(tǒng)中重要的內(nèi)容。而新一代工業(yè)人機(jī)界面的出現(xiàn)，對(duì)于在構(gòu)建高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述功能，提供了一種簡(jiǎn)便可行的途徑。

本文主要講述HMI在高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 高壓變頻器系統(tǒng)

高壓變頻器主要由變壓器柜、功率單元柜和控制柜3部分組成。采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)功率單元相互串聯(lián)，可直接驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，無(wú)需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器，由18個(gè)功率單元組成，每相由6臺(tái)功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。每臺(tái)功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，也可以互為備用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

圖1 高壓變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中HMI使用的是臺(tái)灣威綸科技公司的10寸彩色液晶觸摸屏TK6102I，而HMI組態(tài)軟件則是該公司開(kāi)發(fā)的新一代人機(jī)界面軟件EasyBuilder8000（簡(jiǎn) 稱 EB8000）。本 案 例 中，WEINVIEW HMI具備以下特性［2］：① 高速400 MHz復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set Computer，CISC）CPU，數(shù)據(jù)處理快；② 高分辨率10寸液晶顯示，高亮度、寬視角；③ 觸控面板高靈敏度、高精度，可至少連續(xù)觸控10萬(wàn)次；④ 內(nèi)置電源隔離保護(hù)器，保證了在復(fù)雜配電環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性；⑤128MB大容量?jī)?nèi)存，記錄事件記錄和模擬量的趨勢(shì)圖，極大地方便了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄要求和數(shù)據(jù)變化的隨時(shí)監(jiān)控。

2 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

本變頻器監(jiān)控系統(tǒng)主要由WEINVIEW HMI、變頻控制柜、主控?cái)?shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）組成，其中，變頻控制柜主要包括電壓電流互感器檢測(cè)（Phase voltage Transformer Current Transformer，PTCT）模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、遠(yuǎn)程I／O、光纖觸發(fā)模塊和一些通訊電纜等如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)圖

各部分說(shuō)明如下：

（1）變頻控制柜，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，具有高可靠性、低噪聲、高節(jié)能、保護(hù)功能完善等特點(diǎn)，內(nèi)建光纖轉(zhuǎn)RS－485的通訊卡，而RS－485串行通信協(xié)議對(duì)用戶公開(kāi)；

（2）DSP是比較重要的部分，采用TI公司的F28335控制器，對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)測(cè)、故障保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器和異步電機(jī)的控制；

（3）HMI采用臺(tái)灣威綸科技公司的TK6102I，彩色10寸，分辨率為800像素×480像素，在操作模式為本地控制時(shí)，由HMI來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，即實(shí)現(xiàn)主控DSP的讀寫操作，由主控DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制；

（4）MOXA公司的遠(yuǎn)程I／O，在操作模式為遠(yuǎn)程控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程啟動(dòng)／停止、報(bào)警復(fù)位、輸出頻率的設(shè)定顯示等；

（5）RS－485串行通信方式采用平衡發(fā)送接收，具有傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)和多站能力的優(yōu)點(diǎn)。

觸摸屏（WEINVIEW HMI）主要是應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)的就地控制單元。觸摸屏作為HMI人機(jī)界面，通過(guò)Modbus RTU通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與主控DSP控制器和MOXA的遠(yuǎn)程I／O通訊，將變頻器所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)在人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓變頻器的啟動(dòng)／停止、復(fù)位、運(yùn)行頻率、上升下降時(shí)間、輸出電壓系數(shù)等參數(shù)的設(shè)定，以及輸出頻率、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、功率單元運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)的讀取。

本系統(tǒng)應(yīng)用Modbus RTU通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)觸摸屏與DSP、遠(yuǎn)程I／O之間的透明傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的啟停操作。

3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面就是提供一個(gè)可視化的操作環(huán)境，方便操作者對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔保存，并能在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)得到報(bào)警信息并及時(shí)處理。

本系統(tǒng)中，總共建立了10個(gè)畫(huà)面，通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)變頻器的電壓、電流、頻率等多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并直觀地顯示故障記錄情況及歷史記錄。

3.1 組態(tài)軟件

目前，世界上組態(tài)軟件品種繁多，國(guó)外產(chǎn)品有GE Fanuc公司的IFix、Wonderware的InTouch等；國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有三維力控、組態(tài)王等。組態(tài)軟件是運(yùn)行于PC硬件平臺(tái)、Windows操作系統(tǒng)下的一個(gè)通用工具軟件產(chǎn)品。PC機(jī)或工控機(jī)也可以組成HMI產(chǎn)品，支持的設(shè)備種類非常多，但價(jià)格昂貴，適用于大型的監(jiān)控系統(tǒng)中［3］。

觸摸屏則包含HMI硬件和相應(yīng)的專用畫(huà)面組態(tài)軟件。一般情況下，不同廠家的HMI硬件使用不同的畫(huà)面組態(tài)軟件，連接的主要設(shè)備種類是PLC，通訊速度快、成本低，適用于小型監(jiān)控系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)的觸摸屏自帶的是EasyBuilder 8000組態(tài)軟件，通過(guò)該軟件進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)，可以對(duì)整個(gè)高壓變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、自由停機(jī)等操作。HMI流程圖如圖3所示。

圖3 HMI流程圖

3.2 Modbus協(xié)議

Modbus是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種。Modbus協(xié)議是MODICON公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，它符合開(kāi)放系統(tǒng)互連（Open System Interconnection，OSI）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集中數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，但做了簡(jiǎn)化處理。由于其功能相對(duì)于CAN總線比較完善而且使用簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于處理，協(xié)議開(kāi)放，因而在各種智能設(shè)備中被廣泛采用。

通過(guò)Modbus協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信，從而進(jìn)行集中監(jiān)控。Modbus采用主從應(yīng)答方式，即只有一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)能主動(dòng)發(fā)送詢問(wèn)信息，其他設(shè)備則作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的命令或?qū)⑺璧男畔⒎祷刂林鳈C(jī)。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)主設(shè)備和最多達(dá)255個(gè)從設(shè)備。主設(shè)備地址碼為0，從設(shè)備地址為1～255。讀取或?qū)懭胄畔⒊髲臋C(jī)地址外，還需要數(shù)據(jù)寄存器的地址。Modbus協(xié)議可使用兩種模式進(jìn)行通訊：ASCⅡ和RTU，這兩種模式在報(bào)文結(jié)構(gòu)、功能命令上是相同的，僅幀信息的表示方法不同而已。它們的區(qū)別是：采用RTU模式通訊時(shí)，信息是以8位二進(jìn)制方式傳輸?shù)?；而采用ASCⅡ時(shí)，信息是以字符為基本單位傳輸?shù)?，每個(gè)字符都用ASCⅡ碼表示。ASCⅡ的優(yōu)點(diǎn)是通用性好，讀取容易。但在相同傳輸速率下，RTU模式比ASCⅡ模式傳輸效率提高100%［4］。本文將介紹RTU模式通訊的實(shí)現(xiàn)方法。

（1）Modbus功能碼

Modbus幀格式由地址、功能碼、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)碼組成。數(shù)據(jù)段內(nèi)容根據(jù)主—從或從—主關(guān)系可包括寄存器起始地址、寄存器數(shù)、數(shù)據(jù)位，格式如表1所示。

表1 Modbus RUT幀格式

每一幀數(shù)據(jù)以至少3.5個(gè)字符的間隔時(shí)間（T1－T2－T3－T4）標(biāo)志開(kāi)始和結(jié)束，整個(gè)信息幀必須以連續(xù)的信息流進(jìn)行傳輸，從而保證CRC校驗(yàn)的正確。其中：地址為8位，從機(jī)的有效地址范圍是0～247，其中0是廣播地址；功能碼為8位，有效編碼為1～255；數(shù)據(jù)段可由多組數(shù)據(jù)組成，主要包括從機(jī)要完成功能碼功能所需的附加信息；CRC為此幀數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，用于保證整幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

在EB8000中，功能碼的定義如表2所示［5］。

表2 EB8000功能碼表

在EB8000軟件中，對(duì)Modbus地址功能碼的定義如表3所示。

表3 地址功能碼

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先定義HMI與下位機(jī)通信的變量，再確定其通信變量的基本類型和具體地址，以便觸摸屏能和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備準(zhǔn)確地通信。在EB8000中，Modbus RTU協(xié)議的地址格式定義如圖4所示。

圖4 Modbus RTU協(xié)議的地址格式

（2）通訊設(shè)置

在使用EB8000觸控屏編程軟件編程之前，先要在系統(tǒng)參數(shù)里設(shè)定通訊的方式及參數(shù)，如圖5所示。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定中，PLC的類型選擇為Modbus RTU協(xié)議，通訊端口選擇為RS－485－2W，并進(jìn)行通訊端口設(shè)置：COM3，8bits數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)，波特率為9 600bit／s，超時(shí)為1s，通訊延時(shí)10ms。觸摸屏作為主站，PLC站號(hào)設(shè)定為0，DSP作為從站，PLC站號(hào)設(shè)定為3（默認(rèn)），同時(shí)在DSP－F28335中也要將PLC的站號(hào)設(shè)定為3。

圖5 設(shè)備屬性

另外，MOXA公司遠(yuǎn)程I／O作為遠(yuǎn)程控制功能使用，與觸摸屏通訊用的是Modbus RTU協(xié)議。作為Modbus從站，PLC站號(hào)設(shè)定為2號(hào)，在MOXA N2010型的控制器中用撥碼設(shè)定Modbus站為2號(hào)，通訊參數(shù)設(shè)置與主控DSP設(shè)定一致。在宏指令或畫(huà)面中使用MOXA的變量時(shí)，為了區(qū)分DSP變量和遠(yuǎn)程I／O的變量，用站號(hào)來(lái)區(qū)分，方法：站號(hào)＃＋變量地址，此處就是2＃＋變量地址即可。

以變頻器的啟動(dòng)操作按鈕為例，在EB8000軟件中定義該變量，地址為DSP的數(shù)據(jù)寄存器為500的第0位，在軟件中的變量地址是原地址＋1，否則無(wú)法進(jìn)行通訊。默認(rèn)Modbus從站為DSP，故無(wú)需在地址前加3＃，如圖6所示。

圖6 變量地址標(biāo)簽

3.3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

高壓變頻器需要實(shí)現(xiàn)在就地控制操作狀態(tài)下進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和操作，在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下按照給定參數(shù)進(jìn)行變頻器的啟動(dòng)、停止和急停操作。最主要的工作界面有參數(shù)設(shè)定界面、系統(tǒng)參數(shù)界面、故障記錄界面以及報(bào)警和事件顯示界面等。在每一個(gè)界面上都大量用到了數(shù)據(jù)輸入／顯示元件、位狀態(tài)設(shè)定／顯示元件、功能元件及文本輸入／顯示元件等。在EB8000編程軟件中設(shè)定元件所指向的PLC的數(shù)據(jù)塊地址和位地址。

（1）系統(tǒng)參數(shù)顯示

實(shí)現(xiàn)變頻器的在線監(jiān)測(cè)，可以對(duì)變頻器系統(tǒng)狀態(tài)（報(bào)警、運(yùn)行／停止、故障）、變頻器的運(yùn)行參數(shù)（輸出頻率、輸出電壓、輸入電流和輸出電流）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能幫助值班人員及時(shí)了解設(shè)備工作狀態(tài)。

（2）狀態(tài)監(jiān)控功能

可以在該界面切換控制方式，就地控制：在觸摸屏上進(jìn)行變頻器的參數(shù)設(shè)定和變頻器操作，如圖7所示?？墒謩?dòng)設(shè)定頻率、電壓輸出系數(shù)、電壓頻率系數(shù)、手動(dòng)升降幅、啟動(dòng)和停止變頻器等操作，具體包括：① 給定頻率，設(shè)定變頻器的輸出頻率大小，設(shè)定范圍為4～50Hz；② 升、降頻幅值，按“升頻”／“降頻”鍵，變頻器每次升降的幅值，單位為 Hz；③ 變頻時(shí)間設(shè)定，設(shè)定每個(gè)頻率段間所需的時(shí)間，單位為s；④ 輸出頻率，顯示變頻器實(shí)際運(yùn)行的頻率大小，單位為Hz；⑤ 輸入電流，顯示變頻器輸入電流大小，單位為A；⑥ 輸出電壓，顯示變頻器的實(shí)際輸出電壓大小，單位為V；⑦ 輸出電流，顯示變頻器的實(shí)際輸出電流大小，單位為A。

圖7 變頻器操作界面

（3）故障報(bào)警記錄功能

通過(guò)設(shè)定故障及報(bào)警參數(shù)后，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)及時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行中的故障信息，且HMI能將系統(tǒng)中的事件記錄無(wú)遺漏地進(jìn)行儲(chǔ)存。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的顏色變化，提醒操作員注意。如圖8所示。

圖8 故障報(bào)警記錄

（4）歷史記錄功能

可對(duì)指定的監(jiān)控量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)，并可通過(guò)輸入具體日期調(diào)出當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄。方便地解決了現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)數(shù)據(jù)抄寫、維護(hù)及繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作，提高了企業(yè)的辦公自動(dòng)化能力和管理水平。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于Modbus協(xié)議具有開(kāi)放性和透明性等特點(diǎn)，RS－485具有可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在本系統(tǒng)中觸摸屏與DSP及遠(yuǎn)程I／O通信采用Modbus RTU協(xié)議，相互之間使用RS－485接口連接實(shí)現(xiàn)信息的交互，達(dá)到了對(duì)高壓變頻器各參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制功能，在實(shí)際使用過(guò)程中也取得了良好效果，具有界面友好、易于操作、通信穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

［1］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］WEINVIEW公司.EB8000使用教程［DB／OL］.（2012－04－02）［2011－08－03］.http：／／www.weinview.cn／download.php？sortserial＝0＆pageIndex＝10.

［3］馬國(guó)華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［4］袁臣虎.基于MODBUS協(xié)議的觸摸屏與TMS320F2812串行通信研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（2）：63－67.

［5］WEINVIEW公司.Modbus功能碼測(cè)試［DB／OL］.（2010－08－02）［2011－09－03］.http：／／www.weinview.cn／download.php？sortserial＝0＆pageIndex＝10.