基于PLC和组态软件的变频器监控系统设计

工矿自动化

IndustryandMineAutomation

No.3󰀁Mar.2010󰀁

文章编号:1671-251X(2010)03-0101-03

基于PLC和组态软件的变频器监控系统设计

张士磊,󰀁赵新蕖

(河南机电高等专科学校自动控制系,河南新乡󰀁453002)

󰀁󰀁摘要:提出了一种基于PLC和组态软件的变频器监控系统的设计方案。该系统由安装有西门子WinCCV6.0组态软件的监控主机、S7-200PLC和多台带有RS485通信接口的变频器组成,S7-200PLC一方面通过串行通信口与监控主机通信,接收监控部分对变频器的参数设置和控制命令;另一方面通过RS485总线与变频器通信,对变频器进行启停控制、频率增加控制等操作。现场调试和运行表明,该系统实现了变频器运行过程和状态的远程监控,有效地提高了生产过程的自动化和智能化水平。

关键词:变频器;监控;S7-200PLC;WinCC组态软件;USS;RS485󰀁󰀁中图分类号:TD672;TN773󰀁󰀁󰀁文献标识码:B0󰀁引言

随着变频器技术的发展,变频器取代传统挡风板、节流阀,在电力、石油、化工、冶金、水资源等工业的风机、水泵、压缩机中得到了广泛应用[1]。近年来,由PLC控制多台变频器形成一个控制网络的方案越来越受到重视[2]。变频器网络控制主要是将若干台变频器通过串行口与控制核心相连,用户通过友好的人机界面实现对变频器的操作、运行、状况监视及故障报警。笔者设计了一种基于PLC和组态软件的变频器监控系统,该系统可确保变频器始终工作在最佳状态,提高变频器和交流电动机的工作效率,不仅可节省电能,而且可实现操作人员的远程操作功能,使操作过程更安全可靠。1󰀁系统设计方案

基于PLC和组态软件的变频器监控系统由安装有西门子WinCCV6.0组态软件的计算机、S7-200PLC和多台带有RS485通信接口的MicroMaster440(MM440)变频器组成,其中S7-200PLC为控制核心,计算机为监控主机,如图1

收稿日期:2009-10-23

作者简介:张士磊(1982-),男,河南南阳人,助教,主要研究方向为现场总线技术及其应用、网络通信及其控制技术。E󰀁mail:zny0377@163.com

所示。监控主机利用WinCCV6.0强大的实时数据采集与监控(SCADA)功能监视和控制变频器的

运行状态。MM440变频器适用于各种变速驱动装置,具有高级的矢量控制功能;对通信数据严格的校验方法确保了控制动作的高准确性;控制端子的即时有效性,保证了控制的安全性和可靠性。

图1󰀁基于PLC和组态软件的变频器监控系统结构

󰀁󰀁该系统由监控部分和通信部分构成。监控部分以人机对话的方式实时监控采集的数据,监控主机通过WinCCV6.0内集成的通信驱动程序提供的通信通道与S7-200PLC通信,对现场变频器的运行进行集中监控、统一调度。通信部分主要包括监控主机与S7-200PLC之间的通信以及S7-200PLC与变频器之间的通信。系统采用主机轮询、从机应答的串行通信方式实现设备之间的通信:监控主机与S7-200PLC之间的通信采用Modbus协议库实现;而S7-200PLC与变频器之间的通信则采用USS(UniversalSerialInterfaceProtocol,通用串行接口协议)实现。S7-200PLC一方面通过串

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󰀂102󰀂工矿自动化2010年3月󰀁󰀁󰀁󰀁

行通信口与监控主机通信,接收监控部分对变频器的参数设置和控制命令;另一方面,通过RS485总线与变频器通信,对变频器进行启停控制、频率增加控制等操作。系统之间的站地址分配:监控主机的站地址为0;S7-200PLCCPU的站地址为2;5台变频器的站地址分别为3~8。

2󰀁S7-200PLC与变频器之间的通信实现2.1󰀁RS485串行通信接口

所有的标准西门子变频器都有一个串行接口,采用RS485双线连接方式。单一的RS485链路最多可连接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1个主控设备(主站),而各个变频器则是从属的控制对象(从站)。

2.2󰀁S7-200PLC的自由口通信原理

S7-200PLC串行通信口由LAD或STL程序控制,操作模式称为自由口通信模式。在自由口通信模式下,用户可用程序定义波特率、每个字符位数、奇偶校验和通信协议。利用接收和发送中断可简化程序对通信的控制。S7-200PLCCPU使用SMB30(对Port0)和SMB130(对Port1)定义通信口的工作模式。

处于自由口通信模式时,通信功能由用户程序控制,用户程序通过使用接收中断、发送中断、发送指令和接收指令来控制通信口的操作,通信协议由梯形图控制。自由口通信的核心是XMT(发送)和RCV(接收)2条指令,以及相应的特殊寄存器控制。2.3󰀁USS通信

USS是传动产品(变频器等)通信的一种协议。USS按照串行总线的主从通信原理来确定访问的方法。总线上可连接1个主站和最多31个从站。主站根据通信报文中的地址字符选择要传输数据的从站。在主站没有要求从站通信时,从站本身不能首先发送数据,各个从站之间也不能进行信息的传输

[4]

[3]

(参数识别ID-数值区)和PZD区(过程数据区),如图3所示。

图3󰀁USS有效的数据块格式

2.4󰀁MM440变频器有关USS通信参数的设置

为了使MM440变频器与S7-200PLC之间顺利实现通信,必须将二者之间进行正确的连接和对变频器作一些必要的参数设置。设置的变频器运行参数如下:

󰀁󰀁P0003=2(访问第二级参数,使能对扩展级所有参数的读写访问);

P2010=6(设置RS485串口波特率,该波特率与S7-200PLC的波特率相同);

P2011=3(设置变频器的站地址);

P0700=5(允许通过USS对变频器进行控制);

P0100=5(允许通过USS发送主设定值);P2012=2(设置USSPZD区的长度);P2013=127(设置USSPKW区的长度);P2000=50Hz(设置串行连接参考频率);P2014=0(设置串行连接超时时间为0,即禁止超时)。

2.5󰀁PLC控制程序设计

PLC控制程序主要由主程序、子程序和中断服务程序组成。该程序采用USS串行通信5字协议编写,各程序的主要功能如下:

MAIN(主程序):监视用于串行切换的RUN/TERM开关,寻找输入信号上升沿作业命令。

SBR0(设置自由口通信):首次扫描时设置自由口通信模式的参数。

SBR1(RUN子程序):设定电动机恒速运转。SBR2(RAMP子程序):设定电动机变速运转。SBR3(增加频率倍率的子程序):增加MM440变频器的输出频率。

SBR4(降低频率倍率的子程序):降低MM440变频器的输出频率。

SBR5(STOP子程序):停止电动机。SBR6:计算输出信息的BCC(块校验和)。SBR7:发送信息,初始化发送定时器。

图2󰀁USS通信报文格式

。

USS的每条报文都是以字符STX(=02hex)开

始,接着是长度的说明(LGE)和地址字节(ADR),然后是采用的数据字符,最后以数据块的校验符(BCC)结束,如图2所示。

INT0:发送结束的中断处理程序,打开接收器。INT1:发送超时的中断处理程序,再次发送,最󰀁󰀁USS有效的数据块分为2个区域,即PKW区2010年第3期多试发3次。

张士磊等:基于PLC和组态软件的变频器监控系统设计󰀂󰀁103󰀁󰀁󰀂

INT2:接收字符的中断处理程序,结束后进行有效性校验。

INT3:接收超时的中断处理程序,再次接收,最多试收3次。

3󰀁WinCC与S7-200PLC之间通信的实现

图5󰀁监控软件结构

3.1󰀁WinCC与S7-200PLC之间的通信原理

WinCC与S7-200PLC之间的通信结构层次如图4所示。

运行频率的改变、监视输出电流、电压、频率等功能,

而且还具有实时曲线查询、历史曲线查询和报警显示等功能,实现了对变频器的远程智能化监控。

图4󰀁WinCC与S7-200PLC之间的通信结构层次

󰀁󰀁WinCC采用变量管理器进行变量的集中管理。

WinCC变量管理器管理运行时的WinCC变量,从过程中取出请求的变量值。该过程通过集成在WinCC项目中的通信驱动程序完成。通信驱动程序利用其通道单元构成WinCC与过程处理之间的接口。WinCC通信驱动程序采用通信处理器向S7-200PLC发送请求消息,然后,通信处理器将回答相应的消息请求的过程值发回WinCC。本系统中通信驱动程序选用ModbusSerial.CHN。3.2󰀁Modbus从站协议程序设计

Modbus从站协议程序主要应用S7-200PLC的Modbus协议库实现,由主程序、子程序和中断程序组成。主程序主要用来初始化S7-200PLC为Modbus从站并使能S7-200PLC和监控主机之间进行主从通信。子程序SBR1、SBR2和SBR3及中断程序INT1和INT2是调用Modbus从站协议指令时系统自带的程序,用户不能更改。4󰀁WinCC监控界面设计

本系统中监控软件主要完成的任务是监控整个系统的运行过程,其结构如图5所示,所设计的WinCC监控主界面如图6所示。

󰀁󰀁从图6可看出,该监控主界面不仅具有设置变频器运行所需的参数、控制变频器的运行/停止以及

[5]

图6󰀁WinCC监控主界面

5󰀁结语

现场调试和运行表明,本文所设计的基于PLC

和组态软件的变频器监控系统实现了对变频器运行过程和状态的监控,有效地提高了系统的自动化水平。系统安装维护方便,运行稳定、可靠;监控软件功能齐全,人机界面友好,使用方便。

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