宋黎菁，黃曉偉，張城銓，張 正，張 歡

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

變頻調(diào)速系統(tǒng)具有操作簡單、維修便利等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在冶金、石油、化工、紡織、建材、煤炭、污水處理等行業(yè)［1－3］，但由于現(xiàn)場工作環(huán)境及人力成本等因素限制，很難做到專人值守實時監(jiān)控變頻器及電機(jī)的運(yùn)行狀況，也不利于多臺多地變頻器的調(diào)試和集中監(jiān)控。針對上述問題，本文設(shè)計了基于FX5U PLC和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)變頻調(diào)速遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，通過本地部署驛唐科技工業(yè)聯(lián)網(wǎng)寶網(wǎng)關(guān)（以下簡稱聯(lián)網(wǎng)寶），監(jiān)控PLC通過Modbus RTU通信采集的變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)，上傳驛唐聯(lián)網(wǎng)寶工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺（以下簡稱云平臺）進(jìn)行組態(tài)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理和工業(yè)App發(fā)布，實現(xiàn)電腦端和移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)修改等功能，故障報警短信及時發(fā)布、實時提醒并能遠(yuǎn)程處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了運(yùn)維成本。此外，使用驛唐科技的網(wǎng)口通軟件，設(shè)置虛擬網(wǎng)口IP地址，即可實現(xiàn)PLC控制程序的遠(yuǎn)程更新下載和運(yùn)行調(diào)試。在當(dāng)下各地新冠疫情頻發(fā)，導(dǎo)致工程技術(shù)人員無法抵達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，足不出戶的遠(yuǎn)程調(diào)試功能就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由三菱FX5U PLC（以下簡稱PLC）、E740變頻器（以下簡稱變頻器）、GS2107觸摸屏（以下簡稱觸摸屏）和聯(lián)網(wǎng)寶502pro、云平臺等組成，如圖1所示。PLC通過485串口Modbus RTU通信與變頻器連接，監(jiān)控變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)；PLC和觸摸屏連接聯(lián)網(wǎng)寶網(wǎng)口實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，一方面通過程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)監(jiān)控實現(xiàn)本地人機(jī)交互功能，另一方面通過MQTT協(xié)議與云平臺通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云，電腦端進(jìn)行云端組態(tài)設(shè)計、數(shù)據(jù)匯總交互、報警設(shè)置、故障診斷與運(yùn)維管理等操作，移動終端通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺中的工業(yè)云App可遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2 基于Modbus RTU協(xié)議的本地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，Modbus協(xié)議是應(yīng)用于控制器上的一種通用語言，是一種串行的、非同步的主從通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中只有一個設(shè)備能夠建立協(xié)議，其他的設(shè)備只能通過提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主機(jī)的查詢，或根據(jù)查詢做出相應(yīng)的動作［4－7］。ModBus協(xié)議定義了主機(jī)查詢的格式，其包括：主從機(jī)的編址方法（或廣播），要求動作的功能代碼，傳輸數(shù)據(jù)和錯誤校驗等，如不能完成主機(jī)要求的動作，它將組織一個故障作為響應(yīng)。典型的ModBus協(xié)議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP／IP等通信模式，其ModBus RTU應(yīng)用最為廣泛，因為表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量［5］。因此在本系統(tǒng)中，PLC通過Modbus RTU協(xié)議與變頻器通信，實現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和變頻調(diào)速，通過觸摸屏可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)試監(jiān)控，實現(xiàn)本地控制功能，物理接口采用RS485。

2.1 PLC與變頻器Modbus RTU通信連接與參數(shù)設(shè)置

變頻器串行通信PU接口為RJ45形式，可使用網(wǎng)線制作通信電纜。一端為RJ45與變頻器PU接口連接，采用568B標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)線，其通信接口的插針編號和功能內(nèi)容如圖2所示。另一端與PLC的485串口連接，對應(yīng)的端子功能和連接要求如表1所示。

圖2 變頻器PU接口插針編號和功能內(nèi)容

表1 FX5U 485接口與變頻器PU接口端子功能和連接要求

設(shè)置變頻器通信參數(shù)，PLC為Modbus RTU主站，變頻器為從站。從站地址P117設(shè)置為1，通訊波特率P118為19.2 Kb／s，通信停止位長P119為10：停止位長為1，數(shù)據(jù)位長為7位，通信奇偶校驗P120為2：偶校驗，通信啟動模式選擇P340為10：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式，協(xié)議選擇P549為1：Modbus RTU協(xié)議。設(shè)置完成后需要斷電重啟變頻器，控制面板工作模式指示燈NET亮，參數(shù)設(shè)置完成。

2.2 PLC模塊參數(shù)設(shè)置與程序設(shè)計

打開GX Works3編程軟件，新建FX5U工程項目，依次打開設(shè)備樹—參數(shù)—FX5UCPU—模塊參數(shù)。在以太網(wǎng)端口模塊中，設(shè)置PLC的IP地址為192.168.10.250，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；在對象設(shè)備連接設(shè)置配置中，打開以太網(wǎng)設(shè)備（通用），添加SLMP連接設(shè)備至網(wǎng)絡(luò)示意圖中，協(xié)議方式選擇TCP，端口號設(shè)為5001，點(diǎn)擊反映設(shè)置并關(guān)閉保存設(shè)置；在485串口模塊中，選擇協(xié)議格式為Modbus RTU通信，設(shè)置奇偶校驗為偶校驗，停止位為1位，波特率為19.2 Kb／s。

利用FX5U MODBUS RTU指令A(yù)DPRW實現(xiàn)PLC主站對變頻器從站讀寫數(shù)據(jù)通信。詳細(xì)的程序設(shè)計和功能介紹如圖3所示，該程序?qū)崿F(xiàn)了MODBUS RTU通訊控制變頻器啟停、正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行頻率的功能，同時能實時監(jiān)視變頻器實時的運(yùn)行頻率、電流電壓以及正反轉(zhuǎn)等運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 觸摸屏界面設(shè)置與設(shè)計

打開GT Designer3，建立新工程，觸摸屏的型號選擇為“GS21系列”，制造商選擇“三菱電機(jī)”，機(jī)種選擇“MELSEC iQ－F”，連接I／F選擇“以太網(wǎng)：多CPU連接對應(yīng)”，通訊驅(qū)動程序設(shè)置為“以太網(wǎng)（三菱電機(jī)），網(wǎng)關(guān)”，觸摸屏IP地址設(shè)置為192.168.10.18。在連接機(jī)器設(shè)置中設(shè)置通道CH1參數(shù)，GOT機(jī)器通訊用端口號為“5001”，此端口號必須與PLC中SLMP設(shè)備端口號相同；以太網(wǎng)連接機(jī)器設(shè)置中，將機(jī)器FX5CPU的IP地址設(shè)置為192.168.10.250，此地址必須與PLC的以太網(wǎng)地址相同，如圖4所示。軟件設(shè)置完成后，觸摸屏斷電重啟，長按觸摸屏左上角白色屏幕與黑色邊框直角位置結(jié)合處，進(jìn)入應(yīng)用程序主菜單中的連接設(shè)備設(shè)置頁面，將觸摸屏IP地址修改為192.168.10.18，必須與軟件地址相同。

圖4 連接機(jī)器參數(shù)設(shè)置

制作觸摸屏監(jiān)控界面。該界面由文本、指示燈、按鈕、數(shù)值顯示、數(shù)值輸入等構(gòu)件組成，根據(jù)表2所示關(guān)聯(lián)觸摸屏構(gòu)件與PLC程序軟元件，設(shè)置顯示格式及文本樣式并進(jìn)行調(diào)試，可實現(xiàn)本地人機(jī)交互功能，如圖5所示。

表2 觸摸屏與PLC程序軟元件對照

圖5 觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計

3 聯(lián)網(wǎng)寶數(shù)據(jù)上云本地配置

3.1 聯(lián)網(wǎng)寶502pro網(wǎng)關(guān)功能及組成

本系統(tǒng)選用工業(yè)網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)寶的型號為502 pro，它配有一個RJ－45 LAN口，一個WAN／LAN口，RS232和RS－485串口各一個，網(wǎng)口和串口可以同時使用，為具備RJ－45網(wǎng)口、RS232或RS485的PLC、觸摸屏等產(chǎn)品提供遠(yuǎn)程下載程序和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能。支持三大運(yùn)營商的全部網(wǎng)絡(luò)制式，支持4G、3G或2G網(wǎng)絡(luò)，無線、有線、WiFi全網(wǎng)通用。使用方便，可通過配置軟件進(jìn)行采集變量的本地配置，使用配置軟件可方便的與PLC編程軟件集成，進(jìn)行程序的遠(yuǎn)程上傳和下載操作，無需額外的集成開發(fā)工作。

3.2 聯(lián)網(wǎng)寶網(wǎng)關(guān)配置

用網(wǎng)線連接電腦和聯(lián)網(wǎng)寶LAN2口，打開網(wǎng)頁輸入網(wǎng)關(guān)IP地址192.168.10.1，在登錄界面輸入默認(rèn)用戶名root，密碼1234，進(jìn)入網(wǎng)關(guān)設(shè)置界面。首先，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置使用其WiFi上網(wǎng)功能，搜索并選擇WiFi輸入密碼，其他設(shè)置采用默認(rèn)，設(shè)置完成后斷電重啟。重啟后，再次進(jìn)入網(wǎng)關(guān)其當(dāng)前連接狀態(tài)顯示：WiFi已連接到網(wǎng)絡(luò)，顯示IP地址；已連接到聯(lián)網(wǎng)寶工業(yè)云平臺；網(wǎng)口通已連接，表示全部網(wǎng)絡(luò)連接正確。

3.3 工程配置軟件采集變量設(shè)置

打開iGateCfg工程配置軟件，按圖6所示步驟操作。（1）新建項目，輸入聯(lián)網(wǎng)寶網(wǎng)關(guān)BOX型號和序列號；（2）在LAN口下添加三菱FX5U設(shè)備；（3）設(shè)備品牌選擇三菱，設(shè)備型號選擇FX5U，設(shè)備IP地址設(shè)置為192.168.10.250，設(shè)備端口為5001；（4）在變量編輯區(qū)域，添加數(shù)據(jù)監(jiān)控變量；（5）對變頻器的頻率設(shè)定、頻率監(jiān)控和輸出電流、輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行線性換算，對報警變量進(jìn)行設(shè)置；（6）點(diǎn)擊上傳至云端按鍵將工程上傳云平臺；（7）點(diǎn)擊進(jìn)入平臺按鍵，可進(jìn)入工作互聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行監(jiān)控設(shè)計。

圖6 聯(lián)網(wǎng)寶數(shù)據(jù)上云配置

其中，第（5）步的具體設(shè)置以輸出電流為例，變頻器采集的電流數(shù)據(jù)單位為0.01 A，因此需要將0～1 000整數(shù)型的采集數(shù)值線性變換為0～10.00的浮點(diǎn)型數(shù)值，如圖7所示；在報警配置中，系統(tǒng)默認(rèn)BOX離線和PLC離線為一般性報警；添加自定義報警規(guī)則，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定的數(shù)值時，如圖8所示，會向推送分組人員手機(jī)和App發(fā)出報警短信，提醒其及時維護(hù)或排除故障。

圖7 輸出電流線性變換

圖8 輸出電流報警配置

4 云平臺組態(tài)設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻系統(tǒng)

4.1 驛唐云平臺

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是我國推動傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段，可助力智能制造目標(biāo)實現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已逐步服務(wù)制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型［8－10］。邊緣端聯(lián)網(wǎng)寶工業(yè)網(wǎng)關(guān)通過串口、網(wǎng)口或USB口與設(shè)備物理連接，然后通過4G、WiFi、有線等上網(wǎng)方式連到工業(yè)云平臺；聯(lián)網(wǎng)寶內(nèi)置設(shè)備通信協(xié)議，通過預(yù)先設(shè)置的變量列表周期性的采集設(shè)備數(shù)據(jù)，然后上傳到云平臺。該平臺是一款基于WEB端的工業(yè)級云平臺，在WEB網(wǎng)頁端通過組態(tài)畫面展示設(shè)備實時數(shù)據(jù)、故障報警、趨勢曲線等；也支持手機(jī)App監(jiān)控數(shù)據(jù)、報警信息等；同時支持API開發(fā)獲取工業(yè)云平臺數(shù)據(jù)。

4.2 云平臺組態(tài)設(shè)計

首先，登錄聯(lián)網(wǎng)寶工業(yè)云平臺，在項目中心／項目配置／BOX管理頁面中對聯(lián)網(wǎng)寶設(shè)備進(jìn)行綁定操作。綁定完成后，即可在項目中心／數(shù)據(jù)監(jiān)控／實時數(shù)據(jù)中實時監(jiān)控iGateCfg軟件中配置并上傳云平臺的數(shù)據(jù)變量，確保云端能進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，并能遠(yuǎn)程控制變頻器的運(yùn)行。然后，在項目中心／設(shè)備監(jiān)控中編輯組態(tài)，新建畫面進(jìn)入云組態(tài)編輯頁面，在畫面選擇欄目中勾選起始畫面、手機(jī)端和集中控制，畫面設(shè)置為屏幕適應(yīng)方式，添加相應(yīng)文本框并編輯文本內(nèi)容；添加變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止3個按鈕；添加正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2個運(yùn)行指示燈；添加頻率設(shè)定、頻率監(jiān)控、輸出電流和輸出電壓4個變量值顯示輸入框；在各構(gòu)件動態(tài)屬性中進(jìn)行實時數(shù)據(jù)變量連接。云組態(tài)完成后點(diǎn)擊保存，即可進(jìn)行電腦端WEB頁和移動端工業(yè)App的發(fā)布。

5 實踐情況分析

電腦端和移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器運(yùn)行，設(shè)定工作頻率15.3 Hz，分別測試正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。在不同時段的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集顯示如圖9所示，由于電動機(jī)外部負(fù)載的輕微變化，輸出電流和輸出電壓略微有差異，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)控的實時性和真實性。當(dāng)變頻器輸出電流超過報警規(guī)則設(shè)定的數(shù)值時，云平臺會實時地向推送分組人員分別以手機(jī)短消息的形式和在云平臺App上發(fā)出報警提醒消息。經(jīng)過實驗平臺的測試，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，同時在實驗室開展的實踐教學(xué)中，經(jīng)過項目簡單復(fù)制實現(xiàn)了20臺套變頻調(diào)速系統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

圖9 電腦端和移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

6 結(jié)束語

本設(shè)計使用驛唐聯(lián)網(wǎng)寶和聯(lián)網(wǎng)寶工業(yè)云平臺，以三菱FX5U PLC為控制器，設(shè)計了基于Modbus RTU協(xié)議的變頻調(diào)速遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，配置了PLC、變頻器、觸摸屏和聯(lián)網(wǎng)寶的通訊參數(shù)和IP地址及通訊端口，并設(shè)計了PLC程序和三菱觸摸屏界面，完成了控制系統(tǒng)的本地調(diào)試和監(jiān)控。通過配置軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上云和數(shù)據(jù)監(jiān)控，在云平臺上完成了云組態(tài)監(jiān)控界面的設(shè)計，在電腦端WEB頁和移動端App同時發(fā)布，并成功拓展為多臺變頻調(diào)速遠(yuǎn)程集中監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)，降低了企業(yè)調(diào)試和維護(hù)成本，及時快速地處置報警信息，具有很強(qiáng)的實用價值。