基于PLC的低壓變頻器集成監控系統設計

宋維華

(江蘇理工學院 機械工程學院， 江蘇 常州 213001)

0 引言

目前低壓變頻器在水泵、風機、物料運輸、工業鍋爐、機床、紡織等設備上的應用較多。一方面，變頻器的應用，可以改善負載工況，使負載電動機的運行穩定，另一方面，變頻器應用是節能改造的一大關鍵。變頻器的軟啟動節能方式，大大地減少了負載電動機硬啟動對電網造成的沖擊。但由于工業應用中，低壓變頻器的分布依據就近負載原則，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，變頻器的集中監控系統設計也隨之應運而生。

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

1) 計算單一一臺變頻器的節能節電水平。

2) 對變頻器的重要參數保存歷史曲線信息。

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。

該監控系統的設計，可保證變頻器處在最佳的工作狀態，不僅提高了變頻器和負載電動機的工作效率，節省耗電量，而且方便操作人員實時查詢變頻器的工作狀態，避免人工巡檢工作時效性差的弊端[1-2]。

1 監控系統的設計

所設計的變頻器監控系統，是以西門子S7-200PLC(CPU224以上核心)為監控主機，同時外擴西門子EM277通訊模塊；西門子MP277觸摸屏設計為人機交互界面，顯示S7-200PLC接收到的變頻器參數與狀態等相關信息，PLC用于監控多臺具備modbusRTU通訊協議或USS通訊協議的低壓變頻器，具有modbusRTU通訊協議的變頻器順次串聯接入PLC的端口0，具有USS通訊協議的變頻器順次串聯接入PLC的通訊端口1，以實現PLC監控兩種不同通訊協議變頻器的功能。監控系統組成結構原理圖如圖1所示。

西門子MP277觸摸屏采用WinCCflexible軟件組態操作界面，用以監視變頻器的參數與狀態信息、顯示重要參數的歷史趨勢、給出故障處理建議、計算節能等功能。PLC將用戶的控制指令通過RS-485通訊發送給指定變頻器，變頻器做出對應的應答信息。系統主從設備之間嚴格的控制與應答請求，確保了整個控制系統的準確性、安全性和可靠性。

圖1 監控系統組成結構原理圖

本文所設計的監控系統，包括通信部分和監控部分。

1) 監控部分：S7-200PLC將監控信息傳送給MP277觸摸屏，觸摸屏將數據信息與狀態信息顯示在操作界面上。實現人機交互方式顯示被監控變頻器的實時數據、狀態信息等。

2) 通訊部分：一部分是S7-200PLC與變頻器的通訊，PLC內部程序設置采用輪詢方式向各從站變頻器發送指令，從站變頻器應答，將數據返回，實現主機與從站之間的通信。S7-200PLC與變頻器之間依據變頻器的通訊協議接入PLC的不同通訊端口，本系統結合工程上常用變頻器的具體情況，支持modbusRTU協議以及USS協議；通訊部分的另一功能是S7-200PLC與人機交互界面的通訊，PLC將讀取的變頻器相關參數狀態信息發送給人機交互界面顯示；同時，PLC接收人機交互界面發出的控制指令和參數設置相關信息。

2 監控系統通訊部分的實現

監控系統中，PLC與變頻器之間的主從站通訊與數據傳遞采用RS-485兩線制通訊連接方式實現；PLC與觸摸屏之間的信息傳遞以MPI通訊方式傳輸。

2.1 主從站通訊的實現

監控系統的主從站通訊即為S7-200PLC與各變頻器之間的通訊，主從站的通訊是本系統設計的核心工作。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個節點，除去作為通訊主機用的S7-200PLC，從站所接入的變頻器理論上最多可達31臺之多[3]。但用戶可根據變頻器的工作狀態實時性需求，自行選擇監控對象的數量，變頻器臺數越少，輪詢所用時間越短，系統實時性越高；反之亦然[4]。

1)S7-200PLC的選擇與通訊實現

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

在主從監控設備的硬件連接上，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通訊協議的各個變頻器設備，某些變頻器的物理連接口采用Internet網線接口方式，可配備其原廠提供的轉接頭，將通訊接口轉接為串行口連接方式。如遇從站有多臺支持modbusRTU通訊協議的變頻器，可將變頻器的通訊接口串聯，串聯的終端變頻器通訊接口連接至S7-200PLC的串行口，變頻器串聯方式接入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通訊協議的各變頻器，方式和連接modbusRTU通訊協議的變頻器方式相同。各變頻器作為從站，在通訊之前，需要將其內部站地址設置不同地址號，以便通訊時依據站地址號查找變頻器，發送請求指令[6]。

圖2 變頻器串聯接入PLC PORT端口配置圖

S7-200PLC在通訊程序設計上，選擇梯形圖程序設計。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，但如果采用通訊協議編寫程序，可采用兩種方式實現：自由口通訊模式和裝載通訊協議庫文件包。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通訊協議和USS通訊協議的相關指令，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控的要求，再采用自由口通訊模式設計程序。這樣節省了程序的運行周期，也增強了程序的可讀性。

圖3 STEP7-Micro/WIN軟件通訊協議庫指令集

2) 變頻器參數的設置

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做正確的設置，正確建立兩者之間的物理接線方式，才能夠實現通訊的目的[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變頻器做的參數設置如下：

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

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

Pr.119 = 0(設置RS-485通訊停止位長與數據位長)；

Pr.120 = 2(RS-485通訊的奇偶校驗選擇，此參數需要與PLC編程的奇偶校驗設置相同)；

Pr.123 = 100(設置通訊等待時間)

Pr.124 = 0(設置RS-485通訊無CR、LF)

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

以西門子MM420變頻器為例，為使S7-200PLC與MM420變頻器以USS協議通訊，需要對MM420變頻器做的參數設置如下[8]：

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

P0700 = 5(允許通過USS協議控制變頻器)；

P1000 = 5(允許通過USS協議更改頻率設定值)；

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

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

P2012 = 2(設置USS協議的PZD長度)；

P2013 = 127(設置USS協議的PKW字長)；

參數設定完成后，必須復位變頻器，以便變頻器執行更改后的參數，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現

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，觸摸屏的參數顯示區域出現“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，觸摸屏的參數顯示區域出現“#####”則代表兩者通訊不匹配。若通訊不成功，需要如下設置：

a) 在PLC梯形圖程序設計軟件里，需做如下設置：打開系統塊設置窗口→通信端口設置→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) 需要在觸摸屏組態設計軟件中“通信→連接”中做如下設置：在連接設備通訊驅動程序下拉列表選擇SIMATICS7 200；在線選擇“開”；參數列表中：

1)HMI設備的設置

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

2) 網絡設置

配置文選擇MPI；最高站地址為31；主站數：1。

3)PLC設備地址為2。

將上述參數設置之后，將設計的PLC程序重新燒錄到PLC中，將組態監控程序燒錄到觸摸屏中。用MPI電纜將兩設備連接，再次通訊，通訊成功觸摸屏界面數值顯示窗口的數據顯示為“00000”。

3 監控系統監控功能的實現

本文設計的監控系統，目的是實現遠程監控系統內各變頻器的狀態、參數，實現對變頻器基本功能與運行過程的遠程控制[9]。監控系統結構圖如圖4所示。

圖4 監控系統結構圖

監控系統人機交互界面系統圖如圖5所示，監控變頻器運行參數圖如圖6所示。該監控系統具備了對變頻器基本功能的遠程控制(啟/停、更改頻率)，基本參數與狀態的遠程監測，對重要的參數形成歷史趨勢曲線等功能[10]。系統的突出特點在于在系統內增加了以下兩部分內容：

圖5 監控系統人機交互界面系統圖

圖6 監控變頻器運行參數圖

1) 故障/報警處理建議：當系統中的某一變頻器發生故障/報警時，監控系統會給出故障/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的檢查。故障處理建議界面圖如圖7所示。

2) 節能計算：根據變頻器的運行情況，計算出本次運行時間、累計運行時間，系統根據變頻器的功率情況計算節能量。

圖7 故障處理建議界面圖

4 結語

所設計的低壓變頻器集成監控系統安裝于測試現場使用。經一段時間的測試，系統穩定可靠，計算節能節電水平較好。系統通過對變頻器運行過程與參數狀態的監控，實現了對低壓變頻器的集成監控，該系統具備監控不同品牌、不同型號、只需具備MODBUS或USS兩種通訊協議中任意一種低壓變頻器的功能。在變頻器集成監控系統使用過程中，減少了人工巡檢的工作量，提高了系統性的自動化水平，對工業系統的自動化水平提高具有一定的促進意義。