變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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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)的自動化水平。本論文以工業(yè)生產(chǎn)過程中對變頻器的監(jiān)控需要為背景，理論與實踐相結(jié)合，設(shè)計了一套基于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機的變頻調(diào)速而開發(fā)和應(yīng)用的，它以體積小、重量輕、通用性強、使用范圍廣、保護功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點，深受鋼鐵、冶金、礦山、石化、醫(yī)藥、食品、紡織、印染、機械、電力、建材、造紙等行業(yè)的歡迎，使用變頻器后經(jīng)濟效益和社會效益都非常顯著。
     PLC技術(shù)是一種以計算機技術(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)線自動控制及各類機電一體化設(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、機械、電力等各行各業(yè)，實現(xiàn)了邏輯、步進(jìn)、數(shù)字、機器人、模擬量等的自動控制。隨著數(shù)字化時代的到來，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，從而實現(xiàn)智能控制和生產(chǎn)自動化。PLC就是計算機技術(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)計的小型計算機，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動化設(shè)備。PLC技術(shù)已成為工業(yè)自動化三大技術(shù)（PLC技術(shù)、機器人、計算機輔助設(shè)計和分析）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)行變頻器運行參數(shù)設(shè)置。由于在組態(tài)時已給每個參數(shù)連接了一個過程變量，并為這一過程變量賦予了一個MODBUS地址，此MODBUS地址與S7-200 PLC CPU變量存儲器的地址之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)操作員通過監(jiān)控計算機為變頻器設(shè)定一個參數(shù)時，這一數(shù)字通過WinCC內(nèi)的通訊驅(qū)動程序提供的通道傳遞到與所設(shè)定過程變量所對應(yīng)的S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲區(qū)中。存儲在S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲區(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。在變頻器運行控制畫面中可控制變頻器的運行、停止等狀態(tài)。當(dāng)點擊寫有“運行”字樣的按鈕時，由于此按鈕已經(jīng)與一個二進(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的一個輸入點對應(yīng)，點擊此按鈕就等于接通了S7-200 PLC CPU224 XP的一個輸入點，此時梯形圖程序中與輸入點對應(yīng)的常開觸點閉合能流流過此程序段驅(qū)動PLC輸出點接通，也就等于按下了變頻器初級操作面板上的運行鍵，因此變頻器啟動運行。同理，可按下變頻器運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、輸出電壓和運行頻率等。這些量也已經(jīng)通過一個被賦予MODBUS地址的過程變量與S7-200 PLC CPU224 XP變量存儲區(qū)中的地址建立了對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)正常工作時可通過控制程序以某一時間間隔來讀取變頻器實際運行的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)先存儲在PLC的變量存儲區(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)軟件強大的實時數(shù)據(jù)庫功能可以對過程值進(jìn)行歸檔，然后可以以表格或趨勢的形式輸出當(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、電流和運行頻率的實時運行曲線、歷史運行曲線。
    三、S7-200 PLC與變頻器之間通訊的實現(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。并行通訊時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，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。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：通信雙方可以同時發(fā)送（接收）信息，但不能同時雙向發(fā)送。
    ③全雙工通信：通信雙方都可以同時發(fā)送和接收信息，雙方的發(fā)送和接收裝置同時工作。
    單工通信不能實現(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)計的硬件和軟件協(xié)議。
    軟件協(xié)議中規(guī)定了信號的波特率、字長、表示的意義等，而且可以由設(shè)計者根據(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，但不對軟件協(xié)議進(jìn)行定義。
    RS232C是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA公布的串行通訊接口。這一標(biāo)準(zhǔn)適用于個人計算機與外圍設(shè)備之間的接口。RS232的設(shè)計僅適用于兩個相距不遠(yuǎn)的設(shè)備之間的通訊，其特點是用提高信號電平幅度，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)今幾乎每臺計算機和終端設(shè)備都配備有RS232C接口，每個RS232C接口有兩個物理連接器（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。實際使用時，計算機的串口都是公插頭，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，往往有多點互連而不是兩點直連，而且大多數(shù)情況下，在任一時刻只有一個主控模塊（點）發(fā)送數(shù)據(jù)，其他模塊（點）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，它是為多臺機器之間進(jìn)行通訊而設(shè)計的，有著很高的抗噪聲能力，而且允許工作在超長距離的場合（可達(dá)1000米）。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。單一的RS485鏈路最多可以連接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。鏈路中需要有一個主控設(shè)備，而各個變頻器則是從屬的控制對象。
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