基于Web Control的遠程電機變頻控制系統

張天琪+張洪寶+王恒

摘要：近年來，隨著互聯網在全球的飛速發展，網絡技術廣泛應用于各種企業和工業系統，越來越多的信息化產品需要能夠接入互聯網通過Web頁面進行遠程訪問和控制。本文描述了通過Web服務器發送請求命令，通過互聯網進行數據傳輸，對PLC進行實時控制，通過變頻器實現對電機轉速的靈活控制，最終實現遠程控制的目的。

Abstract： In recent years， with the rapid development of the Internet around the world， the network technology is widely applied in all kinds of enterprises and industry system， more and more information products need to be able to access to the Internet via a Web page for remote access and control. Through a Web server sends the request commands are described in this paper， through the Internet data transmission， real-time control of PLC， realize flexible control of motor speed by the VFD， finally realizes the remote monitoring.

關鍵詞：Web遠程；PLC；變頻

Key word：Web remote；PLC；VFD

中圖分類號：TM306 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0225-03

0 引言

計算機網絡技術的高速發展，把工業控制技術帶入了一個全新的發展領域，成為國內外自動控制領域研究的熱點。基于Web Control的遠程控制系統，實現了信息領域和控制領域的融合，且智能化管理系統越來越多的受到人們的關注與青睞。本系統打破了傳統電機控制需要在現場控制的局限性，利用網絡實現遠程控制，信息更加透明，提高工作效率，降低成本。

1 背景

目前，國內外許多企業也致力于研究遠程控制系統，調研了許多同類產品之后發現，此領域有很高的提高空間，只要克服了目前產品所存在的問題，會在市場上擁有極高的競爭力。

本系統調研了市場上現有的產品，對硬件和軟件進行了改良。硬件部分：柜體外觀的設計、控制面板設計、控制回路設計和動力回路設計，充分合理的利用所有的空間，功能齊全；軟件部分：包括本地控制和遠程控制，對所需數據進行實時采集并傳輸，通過Web服務器進行遠程控制和數據采集。

基于Web Control的遠程電機變頻控制是指：本地計算機通過網絡實現對遠程設備的監視、控制和維護。主要目的是實時監控遠端設備的運行狀態，改變運行參數以及控制方式，與遠端設備實現信息共享，及時預報設備故障。

2 總體設計

本系統通過Web網頁對現場電機進行各種狀態控制和變頻調速控制。Web服務器發送請求命令，通過互聯網進行數據傳輸，對PLC進行實時控制，利用變頻器實現對電機的變頻調速，最終實現遠程控制的目的。

系統要求：快速、高效、實時的進行數據的采集與傳輸，本地控制方便簡潔，遠程控制所有信息清晰明了，本地控制優先級高于遠程控制。遠程控制過程：客戶端發送請求命令，通過互聯網發送至服務器，服務器通過基站把數據通過無線電波發送出去，設備通過無線接收設備接收命令，通過串口服務器對PLC做出相應處理。

3 控制系統

3.1 PLC簡介與選型

可編程邏輯控制器（PLC），采用可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司推出的一款高性價比小型PLC產品。結合SINAMICS驅動產品及SIMATIC人機界面產品，以S7-200 SMART為核心的小型自動化解決方案，廣泛應用與各行業控制系統當中。本系統PLC選用西門子s7-200smart系列，CPU選用SR60型。

S7-200smartCPU SR60的功能：

①提供大量的數字I/O點，36點輸入/24點輸出；

②通信端口數多，1個以太網口、1個串口（RS485）、1個附加串口RS232/RS485（信號板自帶）；

③可連接I/O擴展模塊，最大開關量I/O達252個點；

④信號板擴展，根據不同需求，選用不同的信號板。

3.2 串口服務器介紹與選型

串口服務器簡單的說就是一種網絡通訊接口轉換設備，它能夠將我們常見的RS-232、RS-485、RS-422串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現RS-232、RS-485、RS-422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得常規的串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，從而達到連接網絡進行數據通信的目的。

本系統選用臺灣MOXA串口設備服務器NPort 5232。Nport5232共有2個RS-422/RS-485接口。

3.3 4G/3G無線轉有線路由器

本系統選用深圳科創通信Dial-Link公司的LTE4G&3G無線轉有線路由器，該產品是一款2.4GHZ/300Mbps全功能4G/3G無線路由器，基于MTK7620A芯片方案設計，符合IEEE802.3u協議。提供4個10/100Mbps自適應以太網LAN接口和1個WAN接口，實現4G/3G無線轉有線網口。

3.4 變頻器介紹與選型

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

本系統選用匯川MD290系列變頻器，性能穩定，性價比高。

3.5 遠程控制系統連接圖

本系統工作流程：3G模塊接收遠端發送的數據（指令），通過交換機傳遞給串口服務器，串口服務器進行協議轉換，把TCP/IP協議轉換為Modbus協議，通過RS485接口發送給控制單元PLC進行執行，PLC通過RS485接口把命令發送給變頻器，來控制電機的工作狀態。本系統遠程控制系統連接圖如圖1所示。

3.6 系統通信網絡介紹

本系統的數據通信支持三種網絡通信：移動網絡（支持GPSR/3G）、無線網絡（支持802.11）和衛星網絡（支持北斗系統）。此設計的優點在于：移動網絡覆蓋范圍內，通過移動網絡發送數據和遠程控制命令，偏遠的地方，超出移動網絡的覆蓋范圍，可通過衛星網絡來實現遠程控制命令和數據的傳輸。且本系統具有自動識別（10s/次）網絡通訊狀態的功能，當移動網絡通訊正常時，優先使用移動網絡，移動網絡通訊異常時，會自動切換到衛星網絡。確保系統在任何狀況下都能正常通訊。

遠程服務端設有一個北斗，連接至工控機，用于接收數據和發送指令；本機端也設有一個北斗，通過RS232/RS485轉接口模塊連接至PLC RS485接口，用于發送數據和接收指令。北斗之間通訊，使用北斗通信定位終端一體機接口協議 V1.0.2，彼此之間通過北斗卡號建立通訊連接。

4 通訊系統

4.1 通信系統組成

本系統通信系統由三部分組成：①Web服務器與PLC之間通訊；②PLC與PLC之間通訊；③PLC與凱山RTU之間通訊。

Web與PLC之間的通訊：基于TCP/IP協議和Modbus協議來制作的，通訊發起方為Web服務器，Web服務器異步調用基于TCP/IP協議開發的Socket的接口Api與串口服務器中的Socket建立TCP/IP鏈接，然后利用此鏈接將Modbus協議所規定格式的數據發送到串口服務器，串口服務器中的Socket獲得Web服務器發出的可以在以太網中傳播的數據幀之后，利用協議轉換將數據幀轉化為可以在串口中進行傳播的數據流，然后將數據流通過串口發送給PLC，PLC將數據流以Modbus協議規定的格式解析出來，做出向對應請求命令的動作，實現遠程控制。

4.2 系統遠程控制步驟

基于Web Control的遠程電機變頻控制系統的遠程控制步驟：

①現場控制柜上電，通過串口服務器向Web服務器發送連接建立請求，建立連接；②用戶通過Web客戶端對現場電機進行變頻調速等控制。

用戶通過Web客戶端對現場電機進行各項操作（加/減速、正/反轉、變頻調速、工作模式選擇）。

圖2中各對象介紹：

1）Web客戶端：后臺控制頁面，包含：控制面板（對電機進行各種操作）、數據查詢/顯示、報警顯示；

2）Web服務器：遠程發送控制命令和接收現場返回數據；

3）現場無線通訊設備：接收Web客戶端發送的控制命令，通過協議轉換，發送給PLC；接收PLC返回的數據，通過協議轉換，發送給Web服務器；

4）PLC控制器：接收控制命令，對現場電機進行控制；采集各參數（電參、油壓、套壓等），發送給現場無線通訊設備。

4.3 系統功能

本系統遠程控制功能：

①可以靈活控制電機的各種狀態，例如：加/減速、正/反轉、變頻調速等；

②具有更加完善的控制功能，有變頻控制和工頻控制，正常情況下為變頻控制，靈活控制電機轉速，若變頻器發生故障，則會自動切換至工頻狀態工作，并且會發出報警信息，讓工作人員及時處理故障；

③具有自動識別（10s/次）網絡通訊狀態的功能，當移動網絡通訊正常時，優先使用移動網絡，移動網絡通訊異常時，會自動切換到衛星網絡。確保系統在任何狀況下都能正常通訊。

5 結束語

系統的遠程控制采用B/S結構，基于Web Control的遠程控制技術是控制領域的一種前沿技術，推動了控制領域和信息領域的融合。本系統結合客戶需求，功能齊全，設計新穎。從技術角度看，Web服務使用開放的技術（XML和 SOAP、Internet協議）和開放的標準來實現遠程系統的控制。這樣，Web服務可以真正地將系統中各個環節松散而有效地結合起來，達到遠程控制的目的。

參考文獻：

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