基于FX5U PLC和工業互聯網變頻調速遠程監控系統設計*

宋黎菁，黃曉偉，張城銓，張 正，張 歡

（常州紡織服裝職業技術學院 機電學院，江蘇常州 213164）

0 引言

變頻調速系統具有操作簡單、維修便利等優勢，廣泛應用在冶金、石油、化工、紡織、建材、煤炭、污水處理等行業［1－3］，但由于現場工作環境及人力成本等因素限制，很難做到專人值守實時監控變頻器及電機的運行狀況，也不利于多臺多地變頻器的調試和集中監控。針對上述問題，本文設計了基于FX5U PLC和工業互聯網變頻調速遠程監控系統設計，通過本地部署驛唐科技工業聯網寶網關（以下簡稱聯網寶），監控PLC通過Modbus RTU通信采集的變頻器運行數據，上傳驛唐聯網寶工業互聯網云平臺（以下簡稱云平臺）進行組態設計、數據處理和工業App發布，實現電腦端和移動端遠程監控變頻器運行數據和參數修改等功能，故障報警短信及時發布、實時提醒并能遠程處理，提高了系統的穩定性，減少了運維成本。此外，使用驛唐科技的網口通軟件，設置虛擬網口IP地址，即可實現PLC控制程序的遠程更新下載和運行調試。在當下各地新冠疫情頻發，導致工程技術人員無法抵達現場進行設備調試，足不出戶的遠程調試功能就顯得尤為重要。

1 系統整體設計

控制系統主要由三菱FX5U PLC（以下簡稱PLC）、E740變頻器（以下簡稱變頻器）、GS2107觸摸屏（以下簡稱觸摸屏）和聯網寶502pro、云平臺等組成，如圖1所示。PLC通過485串口Modbus RTU通信與變頻器連接，監控變頻器的運行數據；PLC和觸摸屏連接聯網寶網口實現以太網通信，一方面通過程序運行和數據監控實現本地人機交互功能，另一方面通過MQTT協議與云平臺通信，實現數據上云，電腦端進行云端組態設計、數據匯總交互、報警設置、故障診斷與運維管理等操作，移動終端通過工業物聯網服務平臺中的工業云App可遠程監控運行數據。

圖1 系統整體設計框圖

2 基于Modbus RTU協議的本地監控系統設計

在工業控制領域中，Modbus協議是應用于控制器上的一種通用語言，是一種串行的、非同步的主從通信協議，網絡中只有一個設備能夠建立協議，其他的設備只能通過提供數據響應主機的查詢，或根據查詢做出相應的動作［4－7］。ModBus協議定義了主機查詢的格式，其包括：主從機的編址方法（或廣播），要求動作的功能代碼，傳輸數據和錯誤校驗等，如不能完成主機要求的動作，它將組織一個故障作為響應。典型的ModBus協議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP／IP等通信模式，其ModBus RTU應用最為廣泛，因為表達相同的信息需要較少的位數，且相同通信速率下具有更大的數據流量［5］。因此在本系統中，PLC通過Modbus RTU協議與變頻器通信，實現電動機的正反轉控制和變頻調速，通過觸摸屏可進行參數設置和調試監控，實現本地控制功能，物理接口采用RS485。

2.1 PLC與變頻器Modbus RTU通信連接與參數設置

變頻器串行通信PU接口為RJ45形式，可使用網線制作通信電纜。一端為RJ45與變頻器PU接口連接，采用568B標準的網絡線，其通信接口的插針編號和功能內容如圖2所示。另一端與PLC的485串口連接，對應的端子功能和連接要求如表1所示。

圖2 變頻器PU接口插針編號和功能內容

表1 FX5U 485接口與變頻器PU接口端子功能和連接要求

設置變頻器通信參數，PLC為Modbus RTU主站，變頻器為從站。從站地址P117設置為1，通訊波特率P118為19.2 Kb／s，通信停止位長P119為10：停止位長為1，數據位長為7位，通信奇偶校驗P120為2：偶校驗，通信啟動模式選擇P340為10：網絡運行模式，協議選擇P549為1：Modbus RTU協議。設置完成后需要斷電重啟變頻器，控制面板工作模式指示燈NET亮，參數設置完成。

2.2 PLC模塊參數設置與程序設計

打開GX Works3編程軟件，新建FX5U工程項目，依次打開設備樹—參數—FX5UCPU—模塊參數。在以太網端口模塊中，設置PLC的IP地址為192.168.10.250，子網掩碼為255.255.255.0；在對象設備連接設置配置中，打開以太網設備（通用），添加SLMP連接設備至網絡示意圖中，協議方式選擇TCP，端口號設為5001，點擊反映設置并關閉保存設置；在485串口模塊中，選擇協議格式為Modbus RTU通信，設置奇偶校驗為偶校驗，停止位為1位，波特率為19.2 Kb／s。

利用FX5U MODBUS RTU指令ADPRW實現PLC主站對變頻器從站讀寫數據通信。詳細的程序設計和功能介紹如圖3所示，該程序實現了MODBUS RTU通訊控制變頻器啟停、正反轉和運行頻率的功能，同時能實時監視變頻器實時的運行頻率、電流電壓以及正反轉等運行狀態。

2.3 觸摸屏界面設置與設計

打開GT Designer3，建立新工程，觸摸屏的型號選擇為“GS21系列”，制造商選擇“三菱電機”，機種選擇“MELSEC iQ－F”，連接I／F選擇“以太網：多CPU連接對應”，通訊驅動程序設置為“以太網（三菱電機），網關”，觸摸屏IP地址設置為192.168.10.18。在連接機器設置中設置通道CH1參數，GOT機器通訊用端口號為“5001”，此端口號必須與PLC中SLMP設備端口號相同；以太網連接機器設置中，將機器FX5CPU的IP地址設置為192.168.10.250，此地址必須與PLC的以太網地址相同，如圖4所示。軟件設置完成后，觸摸屏斷電重啟，長按觸摸屏左上角白色屏幕與黑色邊框直角位置結合處，進入應用程序主菜單中的連接設備設置頁面，將觸摸屏IP地址修改為192.168.10.18，必須與軟件地址相同。

圖4 連接機器參數設置

制作觸摸屏監控界面。該界面由文本、指示燈、按鈕、數值顯示、數值輸入等構件組成，根據表2所示關聯觸摸屏構件與PLC程序軟元件，設置顯示格式及文本樣式并進行調試，可實現本地人機交互功能，如圖5所示。

表2 觸摸屏與PLC程序軟元件對照

圖5 觸摸屏監控界面設計

3 聯網寶數據上云本地配置

3.1 聯網寶502pro網關功能及組成

本系統選用工業網關聯網寶的型號為502 pro，它配有一個RJ－45 LAN口，一個WAN／LAN口，RS232和RS－485串口各一個，網口和串口可以同時使用，為具備RJ－45網口、RS232或RS485的PLC、觸摸屏等產品提供遠程下載程序和遠程數據采集功能。支持三大運營商的全部網絡制式，支持4G、3G或2G網絡，無線、有線、WiFi全網通用。使用方便，可通過配置軟件進行采集變量的本地配置，使用配置軟件可方便的與PLC編程軟件集成，進行程序的遠程上傳和下載操作，無需額外的集成開發工作。

3.2 聯網寶網關配置

用網線連接電腦和聯網寶LAN2口，打開網頁輸入網關IP地址192.168.10.1，在登錄界面輸入默認用戶名root，密碼1234，進入網關設置界面。首先，進行網絡設置使用其WiFi上網功能，搜索并選擇WiFi輸入密碼，其他設置采用默認，設置完成后斷電重啟。重啟后，再次進入網關其當前連接狀態顯示：WiFi已連接到網絡，顯示IP地址；已連接到聯網寶工業云平臺；網口通已連接，表示全部網絡連接正確。

3.3 工程配置軟件采集變量設置

打開iGateCfg工程配置軟件，按圖6所示步驟操作。（1）新建項目，輸入聯網寶網關BOX型號和序列號；（2）在LAN口下添加三菱FX5U設備；（3）設備品牌選擇三菱，設備型號選擇FX5U，設備IP地址設置為192.168.10.250，設備端口為5001；（4）在變量編輯區域，添加數據監控變量；（5）對變頻器的頻率設定、頻率監控和輸出電流、輸出電壓數據進行線性換算，對報警變量進行設置；（6）點擊上傳至云端按鍵將工程上傳云平臺；（7）點擊進入平臺按鍵，可進入工作互聯網云平臺進行監控設計。

圖6 聯網寶數據上云配置

其中，第（5）步的具體設置以輸出電流為例，變頻器采集的電流數據單位為0.01 A，因此需要將0～1 000整數型的采集數值線性變換為0～10.00的浮點型數值，如圖7所示；在報警配置中，系統默認BOX離線和PLC離線為一般性報警；添加自定義報警規則，當輸出電流大于設定的數值時，如圖8所示，會向推送分組人員手機和App發出報警短信，提醒其及時維護或排除故障。

圖7 輸出電流線性變換

圖8 輸出電流報警配置

4 云平臺組態設計遠程監控變頻系統

4.1 驛唐云平臺

工業互聯網是我國推動傳統制造業轉型升級的重要手段，可助力智能制造目標實現，工業互聯網已逐步服務制造業升級轉型［8－10］。邊緣端聯網寶工業網關通過串口、網口或USB口與設備物理連接，然后通過4G、WiFi、有線等上網方式連到工業云平臺；聯網寶內置設備通信協議，通過預先設置的變量列表周期性的采集設備數據，然后上傳到云平臺。該平臺是一款基于WEB端的工業級云平臺，在WEB網頁端通過組態畫面展示設備實時數據、故障報警、趨勢曲線等；也支持手機App監控數據、報警信息等；同時支持API開發獲取工業云平臺數據。

4.2 云平臺組態設計

首先，登錄聯網寶工業云平臺，在項目中心／項目配置／BOX管理頁面中對聯網寶設備進行綁定操作。綁定完成后，即可在項目中心／數據監控／實時數據中實時監控iGateCfg軟件中配置并上傳云平臺的數據變量，確保云端能進行數據監控，并能遠程控制變頻器的運行。然后，在項目中心／設備監控中編輯組態，新建畫面進入云組態編輯頁面，在畫面選擇欄目中勾選起始畫面、手機端和集中控制，畫面設置為屏幕適應方式，添加相應文本框并編輯文本內容；添加變頻器正轉、反轉和停止3個按鈕；添加正轉和反轉2個運行指示燈；添加頻率設定、頻率監控、輸出電流和輸出電壓4個變量值顯示輸入框；在各構件動態屬性中進行實時數據變量連接。云組態完成后點擊保存，即可進行電腦端WEB頁和移動端工業App的發布。

5 實踐情況分析

電腦端和移動端遠程監控變頻器運行，設定工作頻率15.3 Hz，分別測試正轉、反轉和停止功能。在不同時段的運行狀態和數據采集顯示如圖9所示，由于電動機外部負載的輕微變化，輸出電流和輸出電壓略微有差異，體現了數據監控的實時性和真實性。當變頻器輸出電流超過報警規則設定的數值時，云平臺會實時地向推送分組人員分別以手機短消息的形式和在云平臺App上發出報警提醒消息。經過實驗平臺的測試，該系統達到了設計要求，同時在實驗室開展的實踐教學中，經過項目簡單復制實現了20臺套變頻調速系統的工業互聯網遠程集中監控。

圖9 電腦端和移動端遠程監控界面

6 結束語

本設計使用驛唐聯網寶和聯網寶工業云平臺，以三菱FX5U PLC為控制器，設計了基于Modbus RTU協議的變頻調速遠程監控系統，配置了PLC、變頻器、觸摸屏和聯網寶的通訊參數和IP地址及通訊端口，并設計了PLC程序和三菱觸摸屏界面，完成了控制系統的本地調試和監控。通過配置軟件實現了數據上云和數據監控，在云平臺上完成了云組態監控界面的設計，在電腦端WEB頁和移動端App同時發布，并成功拓展為多臺變頻調速遠程集中監控運維系統，降低了企業調試和維護成本，及時快速地處置報警信息，具有很強的實用價值。