以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O 模塊在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

杜文蛟，高生存，車 壯

（營口市農(nóng)業(yè)工程學(xué)校，遼寧 營口 115009）

工業(yè)以太網(wǎng)主要是應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上和商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品應(yīng)用上有差異[1]。工業(yè)以太網(wǎng)以其高速、大容量數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)搭建簡便、 包容性好等特點(diǎn)， 在工控領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線構(gòu)建分布式變頻調(diào)速，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及升級(jí)控制系統(tǒng)[2]。 因此，分布式變頻調(diào)速解決了原有控制系統(tǒng)操控臺(tái)與起重機(jī)構(gòu)架之間接線過多、使用維護(hù)不便的問題。針對(duì)某港口門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)培訓(xùn)裝置， 根據(jù)分布式變頻調(diào)速控制要求， 將以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O 模塊應(yīng)用于分布式變頻調(diào)速系統(tǒng)，給出該裝置的硬件和軟件組態(tài)，提出運(yùn)用以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O 模塊實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的解決方案。

1 硬件組態(tài)與安裝

本系統(tǒng)主要由控制主站（PLC）、遠(yuǎn)程I/O 從站、遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)（MCGS）、調(diào)試計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)操控部分與起重機(jī)機(jī)械架構(gòu)部分只需連接1 條網(wǎng)線，因此便于構(gòu)建分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)模擬自動(dòng)化碼頭運(yùn)作模式。 系統(tǒng)中各設(shè)備同時(shí)運(yùn)作，互不干擾，方便運(yùn)行調(diào)試。 同時(shí)，由于操作臺(tái)距離起重機(jī)機(jī)械部分較遠(yuǎn)，故在起重機(jī)構(gòu)架上增設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)便可通過其操控臺(tái)對(duì)現(xiàn)場操作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。 其中，控制主站、監(jiān)控主機(jī)（MCGS）、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、 起重機(jī)操作機(jī)構(gòu)調(diào)速主令開關(guān)位于操作臺(tái)，遠(yuǎn)程I/O 模塊、變頻器、電機(jī)等安裝在起重機(jī)構(gòu)架上[3]。

1.1 主站

主站組態(tài)如圖1 所示。

圖1 主站組態(tài)Figure 1 Main Station configuration

主站以支持以太網(wǎng)的臺(tái)達(dá)工業(yè)DVP-SE 系列薄型 PLC 主機(jī)為核心， 擴(kuò)展 16 點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊16SM11N 用于連接門座式起重機(jī)的大車、 起升、變幅、 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的調(diào)速主令開關(guān)，8 點(diǎn)開關(guān)量輸出模塊08SN11TS 用于連接工作指示等，控制主站（PLC）將電機(jī)轉(zhuǎn)向、速度信息傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)遠(yuǎn)程I/O 通信模塊RTU_EN01， 再由從站I/O 模塊的輸入輸出單元驅(qū)動(dòng)變頻器完成調(diào)速操作。

1.2 從站

從站組態(tài)如圖2 所示。

圖2 從站組態(tài)Figure 2 Slave station configuration

從站以支持以太網(wǎng)的臺(tái)達(dá)遠(yuǎn)程I/O 通信模塊RTU_EN01 為核心， 擴(kuò)展 8 點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊08SM11T 用于連接門座式起重機(jī)的大車、 起升、變幅、 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的限位開關(guān)，8 點(diǎn)開關(guān)量輸出模塊08SN11R 連接到變頻器轉(zhuǎn)向控制端 （S1/S2），4 通道D/A 轉(zhuǎn)換器04DA 連接到大車、起升、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3 臺(tái)變頻器頻率給定（VI1/VI2/VI3）[3]西林電氣 SD90 變頻器以外部給定轉(zhuǎn)向（Y0/Y1/Y2）和頻率方式運(yùn)行。 變幅機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)。

2 軟件組態(tài)

2.1 通信管理COMMGR

為使調(diào)試計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)上的DVP-SE 主機(jī)等設(shè)備連接起來， 需要使用臺(tái)達(dá)提供的COMMGR 通信系統(tǒng)管理器， 由用戶在上面建立一個(gè)Ethernet 類型的Driver， 網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備地址設(shè)置完成并連接，在COMMGR 搜索窗口可看到網(wǎng)絡(luò)掛接設(shè)備。 本系統(tǒng)設(shè)置如下：SE 主機(jī)采用默認(rèn)IP 地址192.168.1.5，調(diào)試計(jì)算機(jī) IP 地址設(shè)置為 192.168.1.1， 監(jiān)控主機(jī) IP 地址192.168.1.100， 遠(yuǎn)程 I/O 通信模塊 RTU_EN01 默認(rèn) IP地址為192.168.1.89，各設(shè)備的IP 地址均在同一網(wǎng)段。

2.2 網(wǎng)絡(luò)配置DCIsoft

使用臺(tái)達(dá)提供的DCISOFT，配置遠(yuǎn)程I/O 讀寫存儲(chǔ)器緩存單元與SE 主機(jī)存儲(chǔ)器單元的映射，先在工具窗口設(shè)置以太網(wǎng)設(shè)備IP 地址， 然后點(diǎn)擊搜索即可顯示以太網(wǎng)絡(luò)上的DVP12SE 主機(jī)與RTU-01 模塊。進(jìn)入兩個(gè)設(shè)備窗口，用戶可自行進(jìn)行配置操作。 本系統(tǒng)映射配置結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 SE 主機(jī)配置Figure 3 SE host configuration

圖4 RTU_EN01 配置Figure 4 RTU_ EN01 configuration

映射關(guān)系：遠(yuǎn)程 RX（RX，RY，RCR 是 RTU-EN01模塊的寄存器）8 點(diǎn) DI， 與 SE 主機(jī)的 M2000 開始映射； 遠(yuǎn)程 RY16 點(diǎn) DO， 與 SE 主機(jī)的 M3000 開始映射；讀DVP04DA 的寄存器有2 個(gè)，分別為CR0（機(jī)種型號(hào)） 和 CR30， 與 SE 主機(jī)的 D2000 開始映射；寫DVP04DA 的寄存器有 5 個(gè)，分別為 CR1，CR6，CR7，CR8，CR9，與 SE 主機(jī)的 D3000 開始映射。

映射配置完成，SE 主機(jī)資源與遠(yuǎn)程I/O 資源自動(dòng)交換數(shù)據(jù)。 例如： 主機(jī)向 D3001 寫入數(shù)字量K2000，這個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)反映到04DA 的通道1 寄存器，通道1 輸出+5 V。 開關(guān)量輸入輸出使用方法與模擬量類似。

鑒于起重機(jī)模擬裝置體量較小，安裝在其上的變頻器與遠(yuǎn)程I/O 從站距離很小，故本系統(tǒng)采用0~5 V電壓信號(hào)給定變頻器運(yùn)行頻率。 如果遠(yuǎn)程I/O 從站距離變頻器較遠(yuǎn)，或現(xiàn)場電磁環(huán)境較差，應(yīng)優(yōu)先選擇抗干擾能力強(qiáng)的0 （4）~20 mA 電流信號(hào)給定方式。 這時(shí)，需要將D/A 模塊更換為電流輸出型。

2.3 編程調(diào)試ISPsoft

調(diào)試計(jì)算機(jī)安裝ISPsoft，對(duì)主站控制程序進(jìn)行編輯、調(diào)試。 DCIsoft 可根據(jù)用戶需要，自動(dòng)分配遠(yuǎn)程I/O對(duì)應(yīng)的主站本地資源。 主站程序?qū)h(yuǎn)程I/O 的使用與控制主站（DVP-SE）本地I/O 資源的使用方法一致，這也是大多數(shù)品牌控制主機(jī)所采取的策略。 用戶需要在調(diào)試計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)屬性當(dāng)中設(shè)置調(diào)試計(jì)算機(jī)IP 地址，并與以太網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的IP 地址處于同一網(wǎng)段。

2.4 組態(tài)軟件

昆侖通態(tài)MCGS 組態(tài)軟件安裝在監(jiān)控主機(jī)上，其主要功能包括：一是通過監(jiān)控窗口進(jìn)行現(xiàn)場參數(shù)采集與顯示，直觀展示現(xiàn)場工況、報(bào)警信息等。二是通過操作窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的操作，作為操作主令手柄操作的補(bǔ)充。 昆侖通態(tài)（MCGS）不能直接通過以太網(wǎng)方式連接臺(tái)達(dá) PLC， 而是把臺(tái)達(dá) PLC 作為MODBUS TCP 子設(shè)備掛在通用TCP/IP 父設(shè)備上使用。 在TCP/IP 父設(shè)備窗口設(shè)置監(jiān)控主機(jī)與DVP-SE主機(jī)IP 地址（如圖5 所示），在子設(shè)備窗口鏈接組態(tài)軟件內(nèi)部變量與DVP-SE 主機(jī)資源 （Modbus 地址），從而使控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)直觀反映在監(jiān)控窗口，并通過監(jiān)控窗口完成對(duì)起重機(jī)的操作。具體設(shè)置等內(nèi)容可參考MCGS 用戶手冊(cè)。

圖5 TCP/IP 父設(shè)備設(shè)置Figure 5 TCP/IP parent device Settings

3 主站與從站通信鏈路的其他方式

3.1 Modbus TCP 方式操作變頻器

SE 主機(jī)具備功能完善的Modbus 通信指令，包括Modbus 讀操作指令 MODRD，Modbus 寫操作指令MODWR，Modbus 讀寫操作指令MODRW，同時(shí)，大多數(shù)變頻器支持Modbus 通信協(xié)議，可直接使用其進(jìn)行控制，使用非常方便，但下游連接線路較多。

3.2 無線方式遠(yuǎn)程I/O 運(yùn)用

如果現(xiàn)場布線困難，可以選擇無線以太網(wǎng)相關(guān)組件模塊， 以無線方式鏈接控制主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O 模塊，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線更加靈活。

4 結(jié)語

以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中扮演著重要的角色，將其應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的主要趨勢(shì)[3]。 以某港口門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)培訓(xùn)裝置為例， 構(gòu)建以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O 控制應(yīng)用軟硬件組態(tài)，闡明相關(guān)方法與步驟，并簡要介紹分布式變頻調(diào)速其他調(diào)控方式。 使用臺(tái)達(dá)SE 主機(jī)RS485 通信端口可以方便快捷地構(gòu)建Modbus 通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式變頻器通信操控。該裝置在營口港業(yè)務(wù)培訓(xùn)和營口市農(nóng)業(yè)工程學(xué)校港口機(jī)械專業(yè)得到了實(shí)訓(xùn)運(yùn)用，獲得了較好評(píng)價(jià)。