变频器监控系统设计

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摘　要：随着变频器技术和工业生产的发展，变频器作为交流调速的重要手段在各行业中得到了广泛的应用。变频器的应用不仅大大提高了生产过程的生产效率和节能效果，而且可以在控制室内远程监控变频器的运行状态，最大限度地减轻操作人员的负担，改善工作环境，提高企业的自动化水平。本论文以工业生产过程中对变频器的监控需要为背景，理论与实践相结合，设计了一套基于PLC和组态软件的变频器监控系统。
    关键词：PLC　变频器　监控系统
    一、变频器应用的现状
    变频器的发展是世界生产力和经济高速发展的产物。近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进的发展，变频调速在调速范围、调速精度、通讯功能、节约电能、工作效率等方面的优势是其他的交流调速方式无法比拟的。变频器就是基于交流电动机的变频调速而开发和应用的，它以体积小、重量轻、通用性强、使用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益都非常显著。
     PLC技术是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产线自动控制及各类机电一体化设备控制中得到了广泛应用，成为工业控制领域的一项十分重要的应用技术。目前PLC已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现了逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制。随着数字化时代的到来，软件领域将不断地向硬件渗透，不断地用软件来代替硬件，从而实现智能控制和生产自动化。PLC就是计算机技术向继电器等硬件领域渗透的产物，用软件来代替硬件，用软件程序代替硬件继电器，从而为系统的连接及改造提供了方便，可以节约成本提高工作效率。PLC可以说是专门为工业严酷的环境设计的小型计算机，已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。PLC技术已成为工业自动化三大技术（PLC技术、机器人、计算机辅助设计和分析）支柱之一。
    二、系统工作过程分析
    假定系统所需软硬件已经正确地进行了配置和连接，使设备正常工作所需的必备参数已经正确进行了设置，给各设备接通电源，运行WinCC V5．1组态软件和和已下载完通讯控制程序的S7-200 PLC CPU224 XP。打开参数设置画面，进行变频器运行参数设置。由于在组态时已给每个参数连接了一个过程变量，并为这一过程变量赋予了一个MODBUS地址，此MODBUS地址与S7-200 PLC CPU变量存储器的地址之间有一定的对应关系。当操作员通过监控计算机为变频器设定一个参数时，这一数字通过WinCC内的通讯驱动程序提供的通道传递到与所设定过程变量所对应的S7-200 PLC CPU224 XP变量存储区中。存储在S7-200 PLC CPU224 XP变量存储区的数字再通过由USS协议控制程序所控制的串行通信口1传递给变频器。在变频器运行控制画面中可控制变频器的运行、停止等状态。当点击写有“运行”字样的按钮时，由于此按钮已经与一个二进制过程变量建立了连接关系，这一二进制过程变量与S7-200 PLC CPU224 XP的一个输入点对应，点击此按钮就等于接通了S7-200 PLC CPU224 XP的一个输入点，此时梯形图程序中与输入点对应的常开触点闭合能流流过此程序段驱动PLC输出点接通，也就等于按下了变频器初级操作面板上的运行键，因此变频器启动运行。同理，可按下变频器运行控制画面中的停止按钮、频率增加按钮、频率降低按钮和故障复位按钮来控制变频器。
    在变频器运行状态监视画面中，可监视变频器的输出电流、输出电压和运行频率等。这些量也已经通过一个被赋予MODBUS地址的过程变量与S7-200 PLC CPU224 XP变量存储区中的地址建立了对应关系。系统正常工作时可通过控制程序以某一时间间隔来读取变频器实际运行的数据。这些数据先存储在PLC的变量存储区中，然后经过一定的转换关系经由PLC的串行通讯口传递到WinCC组态画面中显示。 
此外，通过WinCC V5.1组态软件强大的实时数据库功能可以对过程值进行归档，然后可以以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档的数据，即显示各变频器的输出电压、电流和运行频率的实时运行曲线、历史运行曲线。
    三、S7-200 PLC与变频器之间通讯的实现
    1、数据通讯原理
    CPU与外部的数据交换即数据通讯主要采用并行通讯与串行通讯两种方式。
    （1）并行通讯。并行通讯时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通讯速度快，但用的通讯线多、成本高，故不宜进行远距离通讯。
    （2）串行通信。串行通信时数据是一位一位顺序传送的，只用很少几根通信线。串行传送的速度低，但传送的距离可以很长。在PLC网络中传送数据绝大多数是采用串行方式。
从通信双方信息的交互方式看，串行通信方式可以有以下三种：
    ①单工通信：只有一个方向的信息传送而没有反方向的交互。
    ②半双工通信：通信双方可以同时发送（接收）信息，但不能同时双向发送。
    ③全双工通信：通信双方都可以同时发送和接收信息，双方的发送和接收装置同时工作。
    单工通信不能实现双方交流信息，故在PLC网络中极少使用；而半双工及全双工通信可以实现双方数据传送，故在PLC网络中应用很多。
    串行通信中，传输速率用每秒中传送的位数（比特/秒）来表示，称之为比特率（bit/s）。常用的标准传输速率有1200、2400、4800、9600和19200 bit/s等。
 2、串行通讯的工作情况
    串行通讯采用的是精心设计的硬件和软件协议。
    软件协议中规定了信号的波特率、字长、表示的意义等，而且可以由设计者根据特殊的需要来定义。典型的串行通讯硬件标准是RS232和RS485通讯接口，它们定义了电压、阻抗等，但不对软件协议进行定义。
    RS232C是1969年由美国电子工业协会EIA公布的串行通讯接口。这一标准适用于个人计算机与外围设备之间的接口。RS232的设计仅适用于两个相距不远的设备之间的通讯，其特点是用提高信号电平幅度，提高抑制噪声干扰的能力，它规定了终端设备（DTE）和通讯设备（DCE）之间信息交换的方式和功能。当今几乎每台计算机和终端设备都配备有RS232C接口，每个RS232C接口有两个物理连接器（插头），DTE端（插针一面）为公，接它的为母，DCE端（针孔的一面）为母，接它的为公。实际使用时，计算机的串口都是公插头，而PLC端为母插头，与它们相连的插头正好相反。
    在许多工业控制及通讯联络系统中，往往有多点互连而不是两点直连，而且大多数情况下，在任一时刻只有一个主控模块（点）发送数据，其他模块（点）处在接收数据的状态，于是便产生了主从结构形式的RS485标准。RS485标准工作在半双工方式，它是为多台机器之间进行通讯而设计的，有着很高的抗噪声能力，而且允许工作在超长距离的场合（可达1000米）。所有的标准西门子变频器都有一个串行接口采用RS485双线连接。单一的RS485链路最多可以连接31台变频器，而且根据各变频器的地址或者采用广播信息都可以找到需要的变频器。链路中需要有一个主控设备，而各个变频器则是从属的控制对象。
参考文献
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