基于PLC和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、第3期 2010年3月工礦自動化Industr y and M ine A utomationNo. 3 M ar. 2010文章編號:1671-251X(2010 03-0101-03基于PLC 和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計張士磊, 趙新蕖(河南機電高等?？茖W(xué)校自動控制系, 河南新鄉(xiāng) 453002摘要:提出了一種基于PLC 和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)由安裝有西門子WinCC V6. 0組態(tài)軟件的監(jiān)控主機、S7-200PLC 和多臺帶有RS485通信接口的變頻器組成, S7-200PLC 一方面通過串行通信口與監(jiān)控主機通信, 接收監(jiān)控部分對變頻器的參數(shù)設(shè)置和控制命令; 另一

2、方面通過RS485總線與變頻器通信, 對變頻器進行啟停控制、頻率增加控制等操作。現(xiàn)場調(diào)試和運行表明, 該系統(tǒng)實現(xiàn)了變頻器運行過程和狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控, 有效地提高了生產(chǎn)過程的自動化和智能化水平。關(guān)鍵詞:變頻器; 監(jiān)控; S7-200PLC; WinCC 組態(tài)軟件; U SS; RS485 中圖分類號:TD672; TN773 文獻標(biāo)識碼:B 0 引言隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展, 變頻器取代傳統(tǒng)擋風(fēng)板、節(jié)流閥, 在電力、石油、化工、冶金、水資源等工業(yè)的風(fēng)機、水泵、壓縮機中得到了廣泛應(yīng)用1。近年來, 由PLC 控制多臺變頻器形成一個控制網(wǎng)絡(luò)的方案越來越受到重視2。變頻器網(wǎng)絡(luò)控制主要是將若干臺變頻器通過串行口

3、與控制核心相連, 用戶通過友好的人機界面實現(xiàn)對變頻器的操作、運行、狀況監(jiān)視及故障報警。筆者設(shè)計了一種基于PLC 和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)可確保變頻器始終工作在最佳狀態(tài), 提高變頻器和交流電動機的工作效率, 不僅可節(jié)省電能, 而且可實現(xiàn)操作人員的遠(yuǎn)程操作功能, 使操作過程更安全可靠。1 系統(tǒng)設(shè)計方案基于PLC 和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)由安裝有西門子WinCC V6. 0組態(tài)軟件的計算機、S7-200PLC 和多臺帶有RS485通信接口的MicroM aster440(M M 440 變頻器組成, 其中S7-200PLC 為控制核心, 計算機為監(jiān)控主機, 如圖1收稿日期:2009-1

4、0-23作者簡介:張士磊(1982- , 男, 河南南陽人, 助教, 主要研究方向為現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)通信及其控制技術(shù)。E mail:z ny0377163. com所示。監(jiān)控主機利用WinCC V6. 0強大的實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA 功能監(jiān)視和控制變頻器的運行狀態(tài)。MM 440變頻器適用于各種變速驅(qū)動裝置, 具有高級的矢量控制功能; 對通信數(shù)據(jù)嚴(yán)格的校驗方法確保了控制動作的高準(zhǔn)確性; 控制端子的即時有效性, 保證了控制的安全性和可靠性。圖1 基于PL C 和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)由監(jiān)控部分和通信部分構(gòu)成。監(jiān)控部分以人機對話的方式實時監(jiān)控采集的數(shù)據(jù), 監(jiān)控主機通過W

5、inCC V6. 0內(nèi)集成的通信驅(qū)動程序提供的通信通道與S7-200PLC 通信, 對現(xiàn)場變頻器的運行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度。通信部分主要包括監(jiān)控主機與S7-200PLC 之間的通信以及S7-200PLC 與變頻器之間的通信。系統(tǒng)采用主機輪詢、從機應(yīng)答的串行通信方式實現(xiàn)設(shè)備之間的通信:監(jiān)控主機與S7-200PLC 之間的通信采用Mo dbus 協(xié)議庫實現(xiàn); 而S7-200PLC 與變頻器之間的通信則采用U SS(Universal Serial Interface Pro toco l, 通用串行接口協(xié)議 實現(xiàn)。S7-200PLC 一方面通過串2002:155 158.5 朱煒淋. 數(shù)字接線盒

6、在稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用J.衡器,2008, 37(1 :16 17.大學(xué)出版社, 2002:248 297.C8051FXX XM . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,4 李 剛, 林 凌. 與8051兼容的高性能、高速單片機 102 工礦自動化2010年3月行通信口與監(jiān)控主機通信, 接收監(jiān)控部分對變頻器的參數(shù)設(shè)置和控制命令; 另一方面, 通過RS485總線與變頻器通信, 對變頻器進行啟停控制、頻率增加控制等操作。系統(tǒng)之間的站地址分配:監(jiān)控主機的站地址為0; S7-200PLC CPU 的站地址為2; 5臺變頻器的站地址分別為38。2 S7-200PLC 與變頻器之間的通信實現(xiàn)2. 1 RS485串

7、行通信接口所有的標(biāo)準(zhǔn)西門子變頻器都有一個串行接口, 采用RS485雙線連接方式。單一的RS485鏈路最多可連接31臺變頻器, 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1個主控設(shè)備(主站 , 而各個變頻器則是從屬的控制對象(從站 。2. 2 S7-200PLC 的自由口通信原理S7-200PLC 串行通信口由LAD 或ST L 程序控制, 操作模式稱為自由口通信模式。在自由口通信模式下, 用戶可用程序定義波特率、每個字符位數(shù)、奇偶校驗和通信協(xié)議。利用接收和發(fā)送中斷可簡化程序?qū)νㄐ诺目刂啤7-200PLC CPU 使用SM B30(對Port 0 和SM B13

8、0(對Po rt 1 定義通信口的工作模式。處于自由口通信模式時, 通信功能由用戶程序控制, 用戶程序通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令來控制通信口的操作, 通信協(xié)議由梯形圖控制。自由口通信的核心是XM T (發(fā)送 和RCV(接收 2條指令, 以及相應(yīng)的特殊寄存器控制。2. 3 USS 通信USS 是傳動產(chǎn)品(變頻器等 通信的一種協(xié)議。USS 按照串行總線的主從通信原理來確定訪問的方法?？偩€上可連接1個主站和最多31個從站。主站根據(jù)通信報文中的地址字符選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站。在主站沒有要求從站通信時, 從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù), 各個從站之間也不能進行信息的傳輸43(參數(shù)識別ID-數(shù)

9、值區(qū) 和PZD 區(qū)(過程數(shù)據(jù)區(qū) , 如圖3所示。圖3 U SS 有效的數(shù)據(jù)塊格式2. 4 M M 440變頻器有關(guān)USS 通信參數(shù)的設(shè)置為了使MM 440變頻器與S7-200PLC 之間順利實現(xiàn)通信, 必須將二者之間進行正確的連接和對變頻器作一些必要的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置的變頻器運行參數(shù)如下:P0003=2(訪問第二級參數(shù), 使能對擴展級所有參數(shù)的讀寫訪問 ;P2010=6(設(shè)置RS485串口波特率, 該波特率與S7-200PLC 的波特率相同 ;P2011=3(設(shè)置變頻器的站地址 ;P0700=5(允許通過USS 對變頻器進行控制 ;P0100=5(允許通過U SS 發(fā)送主設(shè)定值 ; P2012=

10、2(設(shè)置USS PZD 區(qū)的長度 ; P2013=127(設(shè)置USS PKW 區(qū)的長度 ; P2000=50H z(設(shè)置串行連接參考頻率 ; P2014=0(設(shè)置串行連接超時時間為0, 即禁止超時 。2. 5 PLC 控制程序設(shè)計PLC 控制程序主要由主程序、子程序和中斷服務(wù)程序組成。該程序采用USS 串行通信5字協(xié)議編寫, 各程序的主要功能如下:M AIN(主程序 :監(jiān)視用于串行切換的RUN/T ERM 開關(guān), 尋找輸入信號上升沿作業(yè)命令。SBR0(設(shè)置自由口通信 :首次掃描時設(shè)置自由口通信模式的參數(shù)。SBR1(RUN 子程序 :設(shè)定電動機恒速運轉(zhuǎn)。SBR2(RAMP 子程序 :設(shè)定電動機變

11、速運轉(zhuǎn)。SBR3(增加頻率倍率的子程序 :增加MM 440變頻器的輸出頻率。SBR4(降低頻率倍率的子程序 :降低MM 440變頻器的輸出頻率。SBR5(ST OP 子程序 :停止電動機。SBR6:計算輸出信息的BCC(塊校驗和 。SBR7:發(fā)送信息, 初始化發(fā)送定時器。圖2 U SS 通信報文格式。USS 的每條報文都是以字符STX(=02hex 開始, 接著是長度的說明(LGE 和地址字節(jié)(ADR , 然后是采用的數(shù)據(jù)字符, 最后以數(shù)據(jù)塊的校驗符(BCC 結(jié)束, 如圖2 所示。INT0:發(fā)送結(jié)束的中斷處理程序, 打開接收器。 2010年第3期多試發(fā)3次。張士磊等:基于PLC 和組態(tài)軟件的變

12、頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 103INT 2:接收字符的中斷處理程序, 結(jié)束后進行有效性校驗。INT 3:接收超時的中斷處理程序, 再次接收, 最多試收3次。3 WinC C 與S7-200PLC 之間通信的實現(xiàn)圖5 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)3. 1 WinCC 與S7-200PLC 之間的通信原理WinCC 與S7-200PLC 之間的通信結(jié)構(gòu)層次如圖4 所示。運行頻率的改變、監(jiān)視輸出電流、電壓、頻率等功能,而且還具有實時曲線查詢、歷史曲線查詢和報警顯示等功能, 實現(xiàn)了對變頻器的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控。圖4 W inCC 與S7-200PL C 之間的通信結(jié)構(gòu)層次WinCC 采用變量管理器進行變量的集中管理。WinCC

13、變量管理器管理運行時的WinCC 變量, 從過程中取出請求的變量值。該過程通過集成在WinCC 項目中的通信驅(qū)動程序完成。通信驅(qū)動程序利用其通道單元構(gòu)成W inCC 與過程處理之間的接口。WinCC 通信驅(qū)動程序采用通信處理器向S7-200PLC 發(fā)送請求消息, 然后, 通信處理器將回答相應(yīng)的消息請求的過程值發(fā)回WinCC 。本系統(tǒng)中通信驅(qū)動程序選用M odbus Serial. CH N 。3. 2 Mo dbus 從站協(xié)議程序設(shè)計Modbus 從站協(xié)議程序主要應(yīng)用S7-200PLC 的Mo dbus 協(xié)議庫實現(xiàn), 由主程序、子程序和中斷程序組成。主程序主要用來初始化S7-200PLC 為M

14、o dbus 從站并使能S7-200PLC 和監(jiān)控主機之間進行主從通信。子程序SBR1、SBR2和SBR3及中斷程序IN T1和INT2是調(diào)用M odbus 從站協(xié)議指令時系統(tǒng)自帶的程序, 用戶不能更改。4 WinC C 監(jiān)控界面設(shè)計本系統(tǒng)中監(jiān)控軟件主要完成的任務(wù)是監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行過程, 其結(jié)構(gòu)如圖5所示, 所設(shè)計的WinCC 監(jiān)控主界面如圖6所示。從圖6可看出, 該監(jiān)控主界面不僅具有設(shè)置變頻器運行所需的參數(shù)、控制變頻器的運行/ 停止以及5圖6 WinCC 監(jiān)控主界面5 結(jié)語現(xiàn)場調(diào)試和運行表明, 本文所設(shè)計的基于PLC和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對變頻器運行過程和狀態(tài)的監(jiān)控, 有效地提高了系統(tǒng)的自動化水平。系統(tǒng)安裝維護方便, 運行穩(wěn)定、可靠; 監(jiān)控軟件功能齊全, 人機界面友好, 使用方便。參考文獻:1 翟亞東. 變頻器監(jiān)控技術(shù)分析J. 湖南農(nóng)機, 2008,9(1 :6 7.2 吳如權(quán). 一種低成本的變頻器網(wǎng)絡(luò)化通信方案設(shè)計J.制造業(yè)自動化, 2008, 30(6 :66 69.3 蔡行健, 魯 煒, 王 穎. 深入淺出西門子S7-200PL C M