故障自動同步輸出頻率切換供電系統研制

關鍵詞：自動同步頻率；故障自動切換；通信架構

中圖分類號：TM762.1 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0005-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.002

0 引言

專用供電系統是驅動專用設備穩定運行的重要保證。為了驗證專用設備的失效率，需要分別對兩組專用設備在不同頻率下進行長期考核，通過在不同頻率對專用設備的長期考核測試試驗，計算每組專用設備損機率，以推斷驗證專用設備的失效率。因此，為保證試驗的長期穩定運行，需要研制一套故障自動同步頻率切換專用供電系統。

1 系統總體概況

專用供電系統由四臺變頻器及一臺切換柜組成，切換柜和變頻器均為自研產品。其中，切換柜采用西門子1200系列PLC作為控制核心，控制接觸器通斷實現回路的切換。變頻器采用TI公司DSP28335作為核心控制芯片，搭配西門子1200PLC及昆侖通泰（MCGS）觸摸屏實現數據交互及遠控功能，在觸摸屏上設置目標頻率，通過面板“跳頻\"按鈕實現輸出頻率變化。其中兩臺變頻器作為工作變頻器分別帶一路負載，其余兩臺變頻器為備用、檢修變頻器，實現系統冗余功能，當任意一臺或兩臺工作變頻器故障，可以及時同步輸出頻率將故障回路切至待機狀態下備用變頻器、檢修變頻器回路繼續試驗。

2故障自動同步輸出頻率切換功能設計

為提高供電系統可靠性，完成專用設備在不同頻率下長期考核對比試驗，系統設計為“兩工作一備用一檢修\"的冗余控制方式。

當工作變頻器發生故障會自動同步輸出頻率，將回路切換至備用變頻器或檢修變頻器。當工作變頻器在運行中發生故障停機后，將故障標志位置“1”;由于故障切換需要約 10s ，為避免在10s內兩臺工作變頻器均故障發生切換沖突，因此兩臺工作變頻器分別設置故障標志位來區分故障先后時間，按故障標志位先置1且“先備用后檢修\"順序尋找待機變頻器進行故障自動同步頻率切換。以備用變頻器待機為例，將故障前工作運行頻率發送到備用變頻器觸摸屏進行頻率設置，觸摸屏判斷接收正確后給備用變頻器發送“跳頻\"命令，判斷備用變頻器與故障前工作變頻器運行頻率一致后（即“跳頻\"成功），發送啟動備用變頻器命令，同時接通備用變頻器帶故障工作變頻器負載回路，通過對接觸器反饋狀態信號判斷回路正確接通后清除故障標志位。切換流程如圖1所示。

3 通信設計

3.1 系統結構設計

該系統通信架構如圖2所示，通信主體包括西門子PLC1200、MCGS觸摸屏、DSP28335以及交換機，采用Modbus-RTU以及Modbus-TCP兩種通信協議。

在切換柜中1200PLC是整個系統的控制核心，作為以太網通信主站，分別與每臺變頻器觸摸屏通信，完成與各個變頻器的運行頻率、速率等信息數據交互；以及與每臺變頻器PLC1200進行通信，在變頻器遠控狀態下控制變頻器的啟停及頻率跳變等功能；同時，與切換柜觸摸屏通信，進行運行參數和狀態顯示。

核心控制器DSP28335，進行信號隔離，并接收變頻器的運行狀態；同時，變頻器PLC1200基于以太網通信與變頻器觸摸屏通信接收變頻器設置頻率及運行頻率等參數，并向觸摸屏發送遠控“跳頻\"命令；且變頻器西門子PLC通過基于以太網通信的PROFINET協議實現與控制柜1200PLC之間的數據通信，實現在變頻器遠控狀態下啟停等功能，并接收變頻器的運行狀態；MCGS觸摸屏作為人機交互界面，可實現變頻器的運行參數顯示、設置頻率設定并通過界面“跳頻\"按鈕調整輸出頻率。

3.2 觸摸屏與DSP28335間通信

觸摸屏作為人機交互界面，需要將設置頻率及“跳頻\"命令等參數與命令發送至DSP，同時接收變頻器的運行頻率等參數進行顯示。因此，穩定安全的通信協議是觸摸屏與DSP28335間數據交互的關鍵。Modbus協議可以使用RS232、RS422、RS485串口作為物理接口。Modbus通信使用Master-Slave（主-從）方式，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其他設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應[2]，如圖3所示。

本系統采用RS232通信Modbus協議的RTU模式，實現變頻器核心控制器DSP28335與觸摸屏之間的數據交互，其消息幀如表1所示。

為了保證發送與接收數據的一致性及安全性，DSP28335和觸摸屏能建立通信的前提是二者生成的循環冗余校驗（CyclicRedundancyCheck，CRC）碼完全一致，即認為校驗通過，在通信過程中沒有產生錯誤[3]。

在變頻器中，DSP28335作為變頻器核心控制器，除對整流單元、逆變器單元進行控制之外，通過Modbus-RTU通信協議，與變頻器觸摸屏進行數據實時通信。該協議采用CRC校驗保證通信數據的準確性，可以實時準確地接收與發送變頻器設置頻率、速率及實時頻率、速率等參數及部分控制命令，實現變頻器觸摸屏及變頻器核心控制器DSP28335之間的數據實時交互；變頻器西門子PLC1200以干接點方式通過I/O將變頻器面板控制按鈕信號傳遞給變頻器

通過MCGS腳本開發軟件，根據DSP的通信方式與功能需求，使用腳本編輯器編寫專門的通信驅動程序，完成設備組態，建立觸摸屏與DSP的數據通道連接，設置觸摸屏的內部變量，使之與DSP的各項參數建立對應關系，實現觸摸屏與DSP的通信，完成數據交換。

3.3 觸摸屏與PLC的通信

西門子S7-1200PLC組件包括數字量輸入模塊（DD、數字量輸出模塊（DQ）及模擬量輸入模塊，具有處理速度快、通信能力強等優點，可滿足長期可靠工作的需求，實現控制變頻器啟停、回路通斷及數據采集等功能。

在觸摸屏中選擇西門子1200系列對應的驅動程序，通過Modbus-TCP協議與PLC建立通信，觸摸屏根據PLC分配的通信數據塊的地址及變量類型，將PLC采集的信號變量與觸摸屏設置的內部變量一一對應，完成數據交換。

4試驗

模擬試驗運行狀態，手動設置兩臺工作變頻器的運行頻率及備用變頻器和檢修變頻器的設置頻率，兩臺工作變頻器的運行頻率均不相同，且備用變頻器與檢修變頻器設置頻率與兩臺工作變頻器的運行頻率均不相同。

通過表2可以看出，當工作變頻器故障后能夠自動將故障前運行頻率發送到備用或檢修的設置頻率，并自動“跳頻”，使備用或檢修運行頻率與故障工作變頻器運行頻率一致，回路切換正確。

5 結束語

通過對該系統通信架構的設計，基于Modbus-RTU和Modbus-TCP通信，對通信協議進行開發，實現了供電系統各個數據的實時交互，及在遠控狀態下控制變頻器啟停及“跳頻\"等功能；通過對PLC程序的編寫，供電系統能夠按照工作變頻器故障先切換備用變頻器后切換檢修變頻器的故障切換順序切換，且工作變頻器故障前運行頻率能夠自動發送至備用變頻器或檢修變頻器并自動實現“跳頻\"回路切換，實現了故障自動同步輸出頻率切換的功能。

[參考文獻]

[1]張跟華.西門子S7-1200PLC編程與應用實例[M].北京：清華大學出版社，2023.

[2]楊更更.Modbus軟件開發實戰指南[M].2版.北京：清華大學出版社，2021.

[3]羅偉雄，韓力，原東昌，等.通信原理與電路[M].北京：北京理工大學出版社，1999.

收稿日期：2025-03-31

作者簡介：高恒（1989一），男，河北人，工程師，研究方向：電子工程及其自動化。