變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

摘　要：隨著變頻器技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，變頻器作為交流調(diào)速的重要手段在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。變頻器的應(yīng)用不僅大大提高了生產(chǎn)過程的生產(chǎn)效率和節(jié)能效果，而且可以在控制室內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，改善工作環(huán)境，提高企業(yè)的自動(dòng)化水平。本論文以工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)變頻器的監(jiān)控需要為背景，理論與實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)。
    關(guān)鍵詞：PLC　變頻器　監(jiān)控系統(tǒng)
    一、變頻器應(yīng)用的現(xiàn)狀
    變頻器的發(fā)展是世界生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的產(chǎn)物。近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)在我國(guó)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、通訊功能、節(jié)約電能、工作效率等方面的優(yōu)勢(shì)是其他的交流調(diào)速方式無法比擬的。變頻器就是基于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速而開發(fā)和應(yīng)用的，它以體積小、重量輕、通用性強(qiáng)、使用范圍廣、保護(hù)功能完善、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，深受鋼鐵、冶金、礦山、石化、醫(yī)藥、食品、紡織、印染、機(jī)械、電力、建材、造紙等行業(yè)的歡迎，使用變頻器后經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常顯著。
     PLC技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。近幾年來，PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)線自動(dòng)控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到了廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)。目前PLC已廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、機(jī)械、電力等各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了邏輯、步進(jìn)、數(shù)字、機(jī)器人、模擬量等的自動(dòng)控制。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，軟件領(lǐng)域?qū)⒉粩嗟叵蛴布B透，不斷地用軟件來代替硬件，從而實(shí)現(xiàn)智能控制和生產(chǎn)自動(dòng)化。PLC就是計(jì)算機(jī)技術(shù)向繼電器等硬件領(lǐng)域滲透的產(chǎn)物，用軟件來代替硬件，用軟件程序代替硬件繼電器，從而為系統(tǒng)的連接及改造提供了方便，可以節(jié)約成本提高工作效率。PLC可以說是專門為工業(yè)嚴(yán)酷的環(huán)境設(shè)計(jì)的小型計(jì)算機(jī)，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備。PLC技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化三大技術(shù)（PLC技術(shù)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析）支柱之一。
    二、系統(tǒng)工作過程分析
    假定系統(tǒng)所需軟硬件已經(jīng)正確地進(jìn)行了配置和連接，使設(shè)備正常工作所需的必備參數(shù)已經(jīng)正確進(jìn)行了設(shè)置，給各設(shè)備接通電源，運(yùn)行WinCC V5．1組態(tài)軟件和和已下載完通訊控制程序的S7-200 PLC CPU224 XP。打開參數(shù)設(shè)置畫面，進(jìn)行變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。由于在組態(tài)時(shí)已給每個(gè)參數(shù)連接了一個(gè)過程變量，并為這一過程變量賦予了一個(gè)MODBUS地址，此MODBUS地址與S7-200 PLC CPU變量存儲(chǔ)器的地址之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)操作員通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)為變頻器設(shè)定一個(gè)參數(shù)時(shí)，這一數(shù)字通過WinCC內(nèi)的通訊驅(qū)動(dòng)程序提供的通道傳遞到與所設(shè)定過程變量所對(duì)應(yīng)的S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲(chǔ)區(qū)中。存儲(chǔ)在S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)字再通過由USS協(xié)議控制程序所控制的串行通信口1傳遞給變頻器。在變頻器運(yùn)行控制畫面中可控制變頻器的運(yùn)行、停止等狀態(tài)。當(dāng)點(diǎn)擊寫有“運(yùn)行”字樣的按鈕時(shí)，由于此按鈕已經(jīng)與一個(gè)二進(jìn)制過程變量建立了連接關(guān)系，這一二進(jìn)制過程變量與S7-200 PLC CPU224 XP的一個(gè)輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)，點(diǎn)擊此按鈕就等于接通了S7-200 PLC CPU224 XP的一個(gè)輸入點(diǎn)，此時(shí)梯形圖程序中與輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合能流流過此程序段驅(qū)動(dòng)PLC輸出點(diǎn)接通，也就等于按下了變頻器初級(jí)操作面板上的運(yùn)行鍵，因此變頻器啟動(dòng)運(yùn)行。同理，可按下變頻器運(yùn)行控制畫面中的停止按鈕、頻率增加按鈕、頻率降低按鈕和故障復(fù)位按鈕來控制變頻器。
    在變頻器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視畫面中，可監(jiān)視變頻器的輸出電流、輸出電壓和運(yùn)行頻率等。這些量也已經(jīng)通過一個(gè)被賦予MODBUS地址的過程變量與S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲(chǔ)區(qū)中的地址建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)正常工作時(shí)可通過控制程序以某一時(shí)間間隔來讀取變頻器實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在PLC的變量存儲(chǔ)區(qū)中，然后經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系經(jīng)由PLC的串行通訊口傳遞到WinCC組態(tài)畫面中顯示。 
此外，通過WinCC V5.1組態(tài)軟件強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)功能可以對(duì)過程值進(jìn)行歸檔，然后可以以表格或趨勢(shì)的形式輸出當(dāng)前過程值或已歸檔的數(shù)據(jù)，即顯示各變頻器的輸出電壓、電流和運(yùn)行頻率的實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線、歷史運(yùn)行曲線。
    三、S7-200 PLC與變頻器之間通訊的實(shí)現(xiàn)
    1、數(shù)據(jù)通訊原理
    CPU與外部的數(shù)據(jù)交換即數(shù)據(jù)通訊主要采用并行通訊與串行通訊兩種方式。
    （1）并行通訊。并行通訊時(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通訊速度快，但用的通訊線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊。
    （2）串行通信。串行通信時(shí)數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送的，只用很少幾根通信線。串行傳送的速度低，但傳送的距離可以很長(zhǎng)。在PLC網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)絕大多數(shù)是采用串行方式。
從通信雙方信息的交互方式看，串行通信方式可以有以下三種：
    ①單工通信：只有一個(gè)方向的信息傳送而沒有反方向的交互。
    ②半雙工通信：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送（接收）信息，但不能同時(shí)雙向發(fā)送。
    ③全雙工通信：通信雙方都可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，雙方的發(fā)送和接收裝置同時(shí)工作。
    單工通信不能實(shí)現(xiàn)雙方交流信息，故在PLC網(wǎng)絡(luò)中極少使用；而半雙工及全雙工通信可以實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)傳送，故在PLC網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用很多。
    串行通信中，傳輸速率用每秒中傳送的位數(shù)（比特/秒）來表示，稱之為比特率（bit/s）。常用的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率有1200、2400、4800、9600和19200 bit/s等。
 2、串行通訊的工作情況
    串行通訊采用的是精心設(shè)計(jì)的硬件和軟件協(xié)議。
    軟件協(xié)議中規(guī)定了信號(hào)的波特率、字長(zhǎng)、表示的意義等，而且可以由設(shè)計(jì)者根據(jù)特殊的需要來定義。典型的串行通訊硬件標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485通訊接口，它們定義了電壓、阻抗等，但不對(duì)軟件協(xié)議進(jìn)行定義。
    RS232C是1969年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA公布的串行通訊接口。這一標(biāo)準(zhǔn)適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間的接口。RS232的設(shè)計(jì)僅適用于兩個(gè)相距不遠(yuǎn)的設(shè)備之間的通訊，其特點(diǎn)是用提高信號(hào)電平幅度，提高抑制噪聲干擾的能力，它規(guī)定了終端設(shè)備（DTE）和通訊設(shè)備（DCE）之間信息交換的方式和功能。當(dāng)今幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備都配備有RS232C接口，每個(gè)RS232C接口有兩個(gè)物理連接器（插頭），DTE端（插針一面）為公，接它的為母，DCE端（針孔的一面）為母，接它的為公。實(shí)際使用時(shí)，計(jì)算機(jī)的串口都是公插頭，而PLC端為母插頭，與它們相連的插頭正好相反。
    在許多工業(yè)控制及通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)中，往往有多點(diǎn)互連而不是兩點(diǎn)直連，而且大多數(shù)情況下，在任一時(shí)刻只有一個(gè)主控模塊（點(diǎn)）發(fā)送數(shù)據(jù)，其他模塊（點(diǎn)）處在接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，于是便產(chǎn)生了主從結(jié)構(gòu)形式的RS485標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)工作在半雙工方式，它是為多臺(tái)機(jī)器之間進(jìn)行通訊而設(shè)計(jì)的，有著很高的抗噪聲能力，而且允許工作在超長(zhǎng)距離的場(chǎng)合（可達(dá)1000米）。所有的標(biāo)準(zhǔn)西門子變頻器都有一個(gè)串行接口采用RS485雙線連接。單一的RS485鏈路最多可以連接31臺(tái)變頻器，而且根據(jù)各變頻器的地址或者采用廣播信息都可以找到需要的變頻器。鏈路中需要有一個(gè)主控設(shè)備，而各個(gè)變頻器則是從屬的控制對(duì)象。
參考文獻(xiàn)
[1]蔡行健 魯煒 王穎 深入淺出西門子S7-200 PLC.北京航空航天大學(xué)出版社，2004年12月。
[2]蘇昆哲 何華 深入淺出西門子WinCC V6.1.北京航空航天大學(xué)出版社，2004年5月。
[3]王東賓 姚紀(jì)文 可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社，2002年6月。
[4]王兆安 黃俊 電力電子技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2004年1月。
[5]陳伯時(shí) 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)．機(jī)械工業(yè)出版社，2000年6月。
[6]雷麗文 朱曉華 微機(jī)原理與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社，2003年6月。
[7]SIEMENS.MICROMASTER410/420/430/440變頻器0.12KW至250KW 產(chǎn)品樣本DA51.2，2000年。
[8]SIEMENS.MICROMASTER440通用型變頻器0.12KW至250KW 使用大全，2003年12月。