宋維華

(江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

0 引言

目前低壓變頻器在水泵、風(fēng)機(jī)、物料運(yùn)輸、工業(yè)鍋爐、機(jī)床、紡織等設(shè)備上的應(yīng)用較多。一方面，變頻器的應(yīng)用，可以改善負(fù)載工況，使負(fù)載電動機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，另一方面，變頻器應(yīng)用是節(jié)能改造的一大關(guān)鍵。變頻器的軟啟動節(jié)能方式，大大地減少了負(fù)載電動機(jī)硬啟動對電網(wǎng)造成的沖擊。但由于工業(yè)應(yīng)用中，低壓變頻器的分布依據(jù)就近負(fù)載原則，使得分布范圍較廣，布局較分散，這對變頻器的巡檢與故障排查帶來了一定的工作量，所以在這種情況下，變頻器的集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計也隨之應(yīng)運(yùn)而生。

低壓變頻器的集中監(jiān)控設(shè)計方式有多種，本文設(shè)計了一種低壓變頻器集成監(jiān)控系統(tǒng)：PLC作為控制系統(tǒng)主站，與多臺變頻器按照通信規(guī)約通信，向變頻器發(fā)送控制指令，同時接收變頻器反饋的參數(shù)與狀態(tài)等信息，將相關(guān)控制命令與參數(shù)狀態(tài)信息顯示在與PLC相連的觸摸屏上。除以上功能外，系統(tǒng)還具備以下特性：

1) 計算單一一臺變頻器的節(jié)能節(jié)電水平。

2) 對變頻器的重要參數(shù)保存歷史曲線信息。

3) 對有故障/報警的變頻器報送故障/報警名稱，并給出處理建議。

該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，可保證變頻器處在最佳的工作狀態(tài)，不僅提高了變頻器和負(fù)載電動機(jī)的工作效率，節(jié)省耗電量，而且方便操作人員實(shí)時查詢變頻器的工作狀態(tài)，避免人工巡檢工作時效性差的弊端[1-2]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

所設(shè)計的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)，是以西門子S7-200PLC(CPU224以上核心)為監(jiān)控主機(jī)，同時外擴(kuò)西門子EM277通訊模塊；西門子MP277觸摸屏設(shè)計為人機(jī)交互界面，顯示S7-200PLC接收到的變頻器參數(shù)與狀態(tài)等相關(guān)信息，PLC用于監(jiān)控多臺具備modbusRTU通訊協(xié)議或USS通訊協(xié)議的低壓變頻器，具有modbusRTU通訊協(xié)議的變頻器順次串聯(lián)接入PLC的端口0，具有USS通訊協(xié)議的變頻器順次串聯(lián)接入PLC的通訊端口1，以實(shí)現(xiàn)PLC監(jiān)控兩種不同通訊協(xié)議變頻器的功能。監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

西門子MP277觸摸屏采用WinCCflexible軟件組態(tài)操作界面，用以監(jiān)視變頻器的參數(shù)與狀態(tài)信息、顯示重要參數(shù)的歷史趨勢、給出故障處理建議、計算節(jié)能等功能。PLC將用戶的控制指令通過RS-485通訊發(fā)送給指定變頻器，變頻器做出對應(yīng)的應(yīng)答信息。系統(tǒng)主從設(shè)備之間嚴(yán)格的控制與應(yīng)答請求，確保了整個控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖

本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，包括通信部分和監(jiān)控部分。

1) 監(jiān)控部分：S7-200PLC將監(jiān)控信息傳送給MP277觸摸屏，觸摸屏將數(shù)據(jù)信息與狀態(tài)信息顯示在操作界面上。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互方式顯示被監(jiān)控變頻器的實(shí)時數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等。

2) 通訊部分：一部分是S7-200PLC與變頻器的通訊，PLC內(nèi)部程序設(shè)置采用輪詢方式向各從站變頻器發(fā)送指令，從站變頻器應(yīng)答，將數(shù)據(jù)返回，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從站之間的通信。S7-200PLC與變頻器之間依據(jù)變頻器的通訊協(xié)議接入PLC的不同通訊端口，本系統(tǒng)結(jié)合工程上常用變頻器的具體情況，支持modbusRTU協(xié)議以及USS協(xié)議；通訊部分的另一功能是S7-200PLC與人機(jī)交互界面的通訊，PLC將讀取的變頻器相關(guān)參數(shù)狀態(tài)信息發(fā)送給人機(jī)交互界面顯示；同時，PLC接收人機(jī)交互界面發(fā)出的控制指令和參數(shù)設(shè)置相關(guān)信息。

2 監(jiān)控系統(tǒng)通訊部分的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC與變頻器之間的主從站通訊與數(shù)據(jù)傳遞采用RS-485兩線制通訊連接方式實(shí)現(xiàn)；PLC與觸摸屏之間的信息傳遞以MPI通訊方式傳輸。

2.1 主從站通訊的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的主從站通訊即為S7-200PLC與各變頻器之間的通訊，主從站的通訊是本系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。該部分在通訊上采用RS-485兩線制主從通訊連接方式。單一的RS-485通訊鏈路最多可掛接32個節(jié)點(diǎn)，除去作為通訊主機(jī)用的S7-200PLC，從站所接入的變頻器理論上最多可達(dá)31臺之多[3]。但用戶可根據(jù)變頻器的工作狀態(tài)實(shí)時性需求，自行選擇監(jiān)控對象的數(shù)量，變頻器臺數(shù)越少，輪詢所用時間越短，系統(tǒng)實(shí)時性越高；反之亦然[4]。

1)S7-200PLC的選擇與通訊實(shí)現(xiàn)

S7-200PLC在監(jiān)控系統(tǒng)中起到核心作用，需要采集具備modbusRTU通訊協(xié)議的變頻器信息與具備USS通訊協(xié)議的變頻器信息，所以在選用上選擇至少具備2個串行通訊口的S7-200PLC[5]。

在主從監(jiān)控設(shè)備的硬件連接上，S7-200PLC的一個串行口(PORT0)以兩線制RS-485通訊連接方式連接至具備modbusRTU通訊協(xié)議的各個變頻器設(shè)備，某些變頻器的物理連接口采用Internet網(wǎng)線接口方式，可配備其原廠提供的轉(zhuǎn)接頭，將通訊接口轉(zhuǎn)接為串行口連接方式。如遇從站有多臺支持modbusRTU通訊協(xié)議的變頻器，可將變頻器的通訊接口串聯(lián)，串聯(lián)的終端變頻器通訊接口連接至S7-200PLC的串行口，變頻器串聯(lián)方式接入PLCPORT端口，配置圖如圖2所示。S7-200PLC的另外一個串行口(PORT1)以兩線制RS-485通訊連接方式連接具備USS通訊協(xié)議的各變頻器，方式和連接modbusRTU通訊協(xié)議的變頻器方式相同。各變頻器作為從站，在通訊之前，需要將其內(nèi)部站地址設(shè)置不同地址號，以便通訊時依據(jù)站地址號查找變頻器，發(fā)送請求指令[6]。

圖2 變頻器串聯(lián)接入PLC PORT端口配置圖

S7-200PLC在通訊程序設(shè)計上，選擇梯形圖程序設(shè)計。STEP7-Micro/WIN作為S7-200PLC的編程軟件，集成了通用梯形圖編程的各種指令，但如果采用通訊協(xié)議編寫程序，可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：自由口通訊模式和裝載通訊協(xié)議庫文件包。顯然第二種方式更方便快捷，安裝好之后，在指令集的庫下拉列表中就包含了modbus通訊協(xié)議和USS通訊協(xié)議的相關(guān)指令，如圖3所示。如果庫文件中的通訊指令不滿足對特定變頻器監(jiān)控的要求，再采用自由口通訊模式設(shè)計程序。這樣節(jié)省了程序的運(yùn)行周期，也增強(qiáng)了程序的可讀性。

圖3 STEP7-Micro/WIN軟件通訊協(xié)議庫指令集

2) 變頻器參數(shù)的設(shè)置

為使S7-200PLC與變頻器能夠正常通訊，不僅要編寫PLC的通訊程序，還需要對變頻器的參數(shù)做正確的設(shè)置，正確建立兩者之間的物理接線方式，才能夠?qū)崿F(xiàn)通訊的目的[7]。

以三菱FR-D700變頻器為例，使S7-200PLC與變頻器以modbusRTU通訊方式通訊，需要對三菱FR-D700變頻器做的參數(shù)設(shè)置如下：

Pr.117 = 1(設(shè)置變頻器的通訊站地址號。如有多臺變頻器，此參數(shù)設(shè)置不同地址值)；

Pr.118 = 96(設(shè)置PLC與變頻器的通訊波特率，此參數(shù)需要與PLC的波特率設(shè)置一致)；

Pr.119 = 0(設(shè)置RS-485通訊停止位長與數(shù)據(jù)位長)；

Pr.120 = 2(RS-485通訊的奇偶校驗(yàn)選擇，此參數(shù)需要與PLC編程的奇偶校驗(yàn)設(shè)置相同)；

Pr.123 = 100(設(shè)置通訊等待時間)

Pr.124 = 0(設(shè)置RS-485通訊無CR、LF)

Pr.549 = 1(變頻器通訊協(xié)議選擇，有些變頻器可以支持多種通訊協(xié)議，在此參數(shù)設(shè)置時選擇正確的通訊協(xié)議)；

以西門子MM420變頻器為例，為使S7-200PLC與MM420變頻器以USS協(xié)議通訊，需要對MM420變頻器做的參數(shù)設(shè)置如下[8]：

P0003 = 2(用戶訪問參數(shù)擴(kuò)展級，用戶可訪問擴(kuò)展級的參數(shù)，必要時作出修改)；

P0700 = 5(允許通過USS協(xié)議控制變頻器)；

P1000 = 5(允許通過USS協(xié)議更改頻率設(shè)定值)；

P2010 = 6(設(shè)置變頻器與PLC串口通訊波特率，此參數(shù)需要與PLC的波特率設(shè)置一致)；

P2011 = 2(設(shè)置變頻器的通訊站地址號。如有多臺變頻器，此參數(shù)設(shè)置不同地址值)；

P2012 = 2(設(shè)置USS協(xié)議的PZD長度)；

P2013 = 127(設(shè)置USS協(xié)議的PKW字長)；

參數(shù)設(shè)定完成后，必須復(fù)位變頻器，以便變頻器執(zhí)行更改后的參數(shù)，保證變頻器與PLC能夠正常通訊。

2.2 S7-200 PLC與MP 277觸摸屏之間的通訊實(shí)現(xiàn)

S7-200PLC與MP277觸摸屏以MPI方式通訊，通訊時采用MPI電纜連接，如果連接后沒有變頻器接入的情況下，觸摸屏的參數(shù)顯示區(qū)域出現(xiàn)“00000”字樣，則說明兩者正確建立連接，可用于正常通訊；如果連接后，觸摸屏的參數(shù)顯示區(qū)域出現(xiàn)“#####”則代表兩者通訊不匹配。若通訊不成功，需要如下設(shè)置：

a) 在PLC梯形圖程序設(shè)計軟件里，需做如下設(shè)置：打開系統(tǒng)塊設(shè)置窗口→通信端口設(shè)置→PLC地址：2→最高地址：31→波特率：19.2kbps。將程序重新下載至PLC中。

b) 需要在觸摸屏組態(tài)設(shè)計軟件中“通信→連接”中做如下設(shè)置：在連接設(shè)備通訊驅(qū)動程序下拉列表選擇SIMATICS7 200；在線選擇“開”；參數(shù)列表中：

1)HMI設(shè)備的設(shè)置

觸摸屏的接口選擇為IF1B；波特率為19 200；地址設(shè)置為1；勾選“總線上的唯一主站”，其余默認(rèn)。

2) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

配置文選擇MPI；最高站地址為31；主站數(shù)：1。

3)PLC設(shè)備地址為2。

將上述參數(shù)設(shè)置之后，將設(shè)計的PLC程序重新燒錄到PLC中，將組態(tài)監(jiān)控程序燒錄到觸摸屏中。用MPI電纜將兩設(shè)備連接，再次通訊，通訊成功觸摸屏界面數(shù)值顯示窗口的數(shù)據(jù)顯示為“00000”。

3 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各變頻器的狀態(tài)、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對變頻器基本功能與運(yùn)行過程的遠(yuǎn)程控制[9]。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面系統(tǒng)圖如圖5所示，監(jiān)控變頻器運(yùn)行參數(shù)圖如圖6所示。該監(jiān)控系統(tǒng)具備了對變頻器基本功能的遠(yuǎn)程控制(啟/停、更改頻率)，基本參數(shù)與狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，對重要的參數(shù)形成歷史趨勢曲線等功能[10]。系統(tǒng)的突出特點(diǎn)在于在系統(tǒng)內(nèi)增加了以下兩部分內(nèi)容：

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面系統(tǒng)圖

圖6 監(jiān)控變頻器運(yùn)行參數(shù)圖

1) 故障/報警處理建議：當(dāng)系統(tǒng)中的某一變頻器發(fā)生故障/報警時，監(jiān)控系統(tǒng)會給出故障/報警信息，并給出該故障/報警情況下對變頻器的處理建議，以便用戶對照建議對變頻器做出相應(yīng)的檢查。故障處理建議界面圖如圖7所示。

2) 節(jié)能計算：根據(jù)變頻器的運(yùn)行情況，計算出本次運(yùn)行時間、累計運(yùn)行時間，系統(tǒng)根據(jù)變頻器的功率情況計算節(jié)能量。

圖7 故障處理建議界面圖

4 結(jié)語

所設(shè)計的低壓變頻器集成監(jiān)控系統(tǒng)安裝于測試現(xiàn)場使用。經(jīng)一段時間的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，計算節(jié)能節(jié)電水平較好。系統(tǒng)通過對變頻器運(yùn)行過程與參數(shù)狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對低壓變頻器的集成監(jiān)控，該系統(tǒng)具備監(jiān)控不同品牌、不同型號、只需具備MODBUS或USS兩種通訊協(xié)議中任意一種低壓變頻器的功能。在變頻器集成監(jiān)控系統(tǒng)使用過程中，減少了人工巡檢的工作量，提高了系統(tǒng)性的自動化水平，對工業(yè)系統(tǒng)的自動化水平提高具有一定的促進(jìn)意義。