變頻器監控系統的研究

王文燦　宋維華　葉霞　陳代

摘要：目前，變頻器在電力、冶金、化工、造紙、機械等場合的應用逐漸呈現出普遍化、趨勢化、多樣化。在電機節能、調速以及工況改善等方面應用的變頻器越來越多。在同一工業系統中，不同作用的變頻器分布在不同的位置空間，生產過程中，每一環節都需要監視與控制。對變頻器實行集中監控是提高自動化的重要舉措。本文中采用PLC+觸摸屏作為監控系統主體。監控系統除了能夠反映與之相連接的變頻器的運行參數，還能夠對變頻器近期運行參數生成歷史趨勢圖，變頻器若出現報警錯誤或故障，監控系統亦能夠及時顯示故障，并給出對應故障的處理建議，以便排除故障；若重大故障，則對工業系統及時做出相應措施，以免產生不必要的工業事故與財產損失。

關鍵詞：監控系統；變頻器；PLC

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）02-0045-04

隨著工業自動化水平的逐漸提高，工業設備的集中監控已然是大勢所趨，單純的人為巡檢工作不能夠及時、快速的處理已經發生的故障。集中監控系統的出現，能夠填補人為巡檢的弊端，大大提高了工業生產的效率。

工業系統的狀況直接影響工業生產的經濟利益，各生產設備的精確運轉是工業系統的核心。現場設備與控制系統實時通訊，將現場設備的運行參數實時傳輸給監控系統，達到集中監控的目的，可以實現生產的最大經濟效益性，所以，生產設備監控系統的研究與開發就成了工業控制領域的熱門問題。同時，提高工廠的自動化與智能化水平程度，可以使我國的自動化產業競爭力加強。因此，對于現場設備的監控系統研究與開發，對工業生產具有很大的現實意義。

1 研究思路

目前，變頻器在冶金、電力、機械等場合的應用逐漸呈現出普遍化趨勢。在電機節能、調速以及工況改善等方面應用的變頻器越來越多。在同一工業系統中，不同作用的變頻器分布在不同的位置空間，生產過程中，每一環節都需要監視與控制。而對于分布在不同位置空間變頻器的集中監控，則是必要的。

PLC作為一種通用的工業控制器，可用于機械、汽車、鋼鐵、化學、電力、造紙等各種工業領域。PLC的種類千差萬別，但適應工業環境具有可靠性極高的能力。編程與調試方便，能夠保證在調試過程中根據實際需求增加或減少對應程序與節點數量。PLC可以將外部輸入的數據存入寄存器中，再與關聯的顯示屏或觸摸屏做寄存器數據映射，進而顯示屏或觸摸屏將PLC的數據實時顯示出來方便用戶查看。

在監控系統的設備選用上，為了保證系統實用性高、可擴展性強、操作簡單等優越的性能，選用工業控制系統中常用的集成設備最合適，考慮到PLC具有使用方便、編程簡單且具備超強可靠性的功能，且能夠與變頻器的自帶通訊端口通訊，將變頻器的運行參數與狀態通過串口讀入，故監控系統采用PLC做為監控系統的控制設備最為合適。但PLC作為監控系統的入口設備，并無顯示功能，增加觸摸屏作為監控系統的顯示設備。如此，從硬件的組成上完成了變頻器的監控系統。

本文所采用的PLC+觸摸屏監控方式，進一步簡化了監控系統的硬件設備數量與軟件設計工作量，從工業生產的角度講，更進一步的縮短了系統開發的周期，也是一種新的監控系統設計思路，具有相對重要的理論與應用意義。

2 系統原理

監控系統除了能夠反映與之相連接的變頻器的運行參數，還能夠對變頻器近期運行參數生成歷史趨勢圖，以便當變頻器所在的工業系統出現故障時，查閱是否由變頻器參數突變導致；變頻器若出現報警錯誤或故障，監控系統亦能夠及時顯示故障，并給出對應故障的處理建議，以便操作人員準確定位變頻器，并排除故障；若重大故障，則對工業系統及時做出相應措施，以避免生命與財產損失。

變頻監控系統的實現是在控制系統硬件支撐下的軟顯示，將低壓系統的各變頻器通過通訊串口串聯之后，最前端變頻器與控制系統硬件通訊，將變頻器的各狀態以及運行參數發送到硬件主控系統中，顯示面板從主控系統中將讀取的數據顯示，主控系統還承擔及時反映變頻器的報警及故障，并對相應的報警及故障做出對應的處理建議。

控制系統的實現得益于變頻器與PLC之間基于RS485串口的標準協議通訊。將變頻器的參數、狀態信息通過RS485串口傳遞給PLC，并將信息解析用以顯示在HMI觸摸屏上，最終實現本控制系統的核心架構。

3 系統設計

基于監控系統的設計思路，以及實際需要，變頻器監控系統選用Siemens S7-200 PLC做為控制系統的數據接收控制器；Siemens MP277觸摸屏做為人機交互顯示界面；同時選用Siemens EM277通訊模塊做為備用數據通訊接口，以便在監控系統監控的變頻器種類多或通訊協議不同時做為擴展數據接口用。系統的三大主體設備如下：

3.1 Siemens S7-200 PLC

Siemens S7-200系列PLC，即可編程邏輯控制器，能夠控制各種設備以滿足自動化控制的需求。S7-200包括了位邏輯、計數器、定時器、復雜數學運算以及與其他智能模塊通訊等功能，從而能夠監控輸入狀態，改變輸出狀態以及達到控制的目的。S7-200PLC硬件與對外接口說明圖如圖1所示。

PLC的電源供電電壓為220VAC，對外端口包括數字量輸入DI、數字量輸出DO、模擬量輸入/輸出AI/AO以及RS232/485通訊端口，還包括一路外接的24VDC供電電源。在本變頻器監控系統中，主要用到的為RS485端口以及數字量輸入DI量，其中RS485端口用于實現控制系統與變頻器的數據通訊功能；數字量輸入DI為備用外接變頻器上端、下端與旁路的開關量信號所用，監測變頻器是否帶電，是否與輸出負載連接，是否被旁路等相關信息；PLC的連接擴展口是需要與擴展通訊模塊EM277連接。

3.2 Siemens MP277 HMI

Siemens MP277 HMI是一款屬于“多功能操作平臺”類的觸摸屏，HMI內自帶Microsoft WindowsCE 5.0標準操作系統。通過MP277 HMI可為用戶系統提供全方位的操作和監視解決方案，使操作人員更好的掌握生產過程，使設備在最佳狀況下運行。HMI操作面板的堅固、緊湊和多樣化的特性，使其在任何時候都能集成于不同設備和自動化系統中。

Siemens MP277 HMI為變頻器監控系統的人機交互接口，系統中所有被監控變頻器的對象信息、狀態、參數、歷史曲線、故障服警信息等都由該部分裝置顯示，并提供人員的操作界面。所以，HMI是除系統的處理器之外最重要的部分，為了能有良好的處理界面與人性化的可視界面，選用的是10.4”大尺寸屏的MP277 HMI。MP277 HMI的外觀示意圖如圖2所示。

3.3 Siemens EM277通訊模塊

本系統中配置EM277模塊是為了擴展PLC的通訊端口，系統為變頻器預留2個RS485口，PLC和觸摸屏連接也需要一個RS485接口，故，擴展EM277模塊與觸摸屏通訊用。控制系統為變頻器預留兩個RS485口的意義在于變頻器監控系統至少能夠實現支持兩種協議的通訊方式。

EM277供電電源為24VDC，可從PLC的24V電源引入，亦可選用外供24VDC直流電源供電，本系統直接從PLC的24VDC引入EM277作為其供電電源，以避免外接24VDC電源出現損壞導致EM277非正常斷電可能性。EM277示意圖如圖3所示。至此，監控系統的三大主體設備已經選擇完成，由于PLC程序設計與觸摸屏組態設計的靈活與方便性，使得本文中設計的變頻器監控系統靈巧可變，運行穩定，適應環境能力強，操作方便，如圖4所示，為變頻器監控系統的運行監測界面圖。對于變頻器監控系統中的每臺變頻器，都配備一組系統化的界面，顯示該變頻器的運行參數、節能節電量、歷史趨勢、故障/報警處理建議等。

4 結語

PLC+觸摸屏的監控方式，進一步簡化了集中監控系統的硬件設備數量與軟件設計工作量，從工業生產的角度講，更進一步的縮短了系統開發的周期，也是一種新的監控系統設計思路，具有相對重要的理論意義。

在變頻器監控系統的研究中，還有利用總線控制技術實現監控系統的方式，而基于PLC利用通訊技術實現監控的方式，是相對最穩定且經濟性較好的方式，在目前的工業應用中，此方式實現的監控系統相對最普遍，可靠性最高，實時性也能夠滿足用戶需求。市場推廣潛力更大。在同類監控系統中，PLC做為監控器的方式從硬件上具有設備簡便、成本低廉的優勢；從軟件方面具有程序設計簡單，程序可調試程度強等顯著的優點。

責任編輯 祁秀春