变频器监控系统的研究

王文灿　宋维华　叶霞　陈代

摘要：目前，变频器在电力、冶金、化工、造纸、机械等场合的应用逐渐呈现出普遍化、趋势化、多样化。在电机节能、调速以及工况改善等方面应用的变频器越来越多。在同一工业系统中，不同作用的变频器分布在不同的位置空间，生产过程中，每一环节都需要监视与控制。对变频器实行集中监控是提高自动化的重要举措。本文中采用PLC+触摸屏作为监控系统主体。监控系统除了能够反映与之相连接的变频器的运行参数，还能够对变频器近期运行参数生成历史趋势图，变频器若出现报警错误或故障，监控系统亦能够及时显示故障，并给出对应故障的处理建议，以便排除故障；若重大故障，则对工业系统及时做出相应措施，以免产生不必要的工业事故与财产损失。

关键词：监控系统；变频器；PLC

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）02-0045-04

随着工业自动化水平的逐渐提高，工业设备的集中监控已然是大势所趋，单纯的人为巡检工作不能够及时、快速的处理已经发生的故障。集中监控系统的出现，能够填补人为巡检的弊端，大大提高了工业生产的效率。

工业系统的状况直接影响工业生产的经济利益，各生产设备的精确运转是工业系统的核心。现场设备与控制系统实时通讯，将现场设备的运行参数实时传输给监控系统，达到集中监控的目的，可以实现生产的最大经济效益性，所以，生产设备监控系统的研究与开发就成了工业控制领域的热门问题。同时，提高工厂的自动化与智能化水平程度，可以使我国的自动化产业竞争力加强。因此，对于现场设备的监控系统研究与开发，对工业生产具有很大的现实意义。

1 研究思路

目前，变频器在冶金、电力、机械等场合的应用逐渐呈现出普遍化趋势。在电机节能、调速以及工况改善等方面应用的变频器越来越多。在同一工业系统中，不同作用的变频器分布在不同的位置空间，生产过程中，每一环节都需要监视与控制。而对于分布在不同位置空间变频器的集中监控，则是必要的。

PLC作为一种通用的工业控制器，可用于机械、汽车、钢铁、化学、电力、造纸等各种工业领域。PLC的种类千差万别，但适应工业环境具有可靠性极高的能力。编程与调试方便，能够保证在调试过程中根据实际需求增加或减少对应程序与节点数量。PLC可以将外部输入的数据存入寄存器中，再与关联的显示屏或触摸屏做寄存器数据映射，进而显示屏或触摸屏将PLC的数据实时显示出来方便用户查看。

在监控系统的设备选用上，为了保证系统实用性高、可扩展性强、操作简单等优越的性能，选用工业控制系统中常用的集成设备最合适，考虑到PLC具有使用方便、编程简单且具备超强可靠性的功能，且能够与变频器的自带通讯端口通讯，将变频器的运行参数与状态通过串口读入，故监控系统采用PLC做为监控系统的控制设备最为合适。但PLC作为监控系统的入口设备，并无显示功能，增加触摸屏作为监控系统的显示设备。如此，从硬件的组成上完成了变频器的监控系统。

本文所采用的PLC+触摸屏监控方式，进一步简化了监控系统的硬件设备数量与软件设计工作量，从工业生产的角度讲，更进一步的缩短了系统开发的周期，也是一种新的监控系统设计思路，具有相对重要的理论与应用意义。

2 系统原理

监控系统除了能够反映与之相连接的变频器的运行参数，还能够对变频器近期运行参数生成历史趋势图，以便当变频器所在的工业系统出现故障时，查阅是否由变频器参数突变导致；变频器若出现报警错误或故障，监控系统亦能够及时显示故障，并给出对应故障的处理建议，以便操作人员准确定位变频器，并排除故障；若重大故障，则对工业系统及时做出相应措施，以避免生命与财产损失。

变频监控系统的实现是在控制系统硬件支撑下的软显示，将低压系统的各变频器通过通讯串口串联之后，最前端变频器与控制系统硬件通讯，将变频器的各状态以及运行参数发送到硬件主控系统中，显示面板从主控系统中将读取的数据显示，主控系统还承担及时反映变频器的报警及故障，并对相应的报警及故障做出对应的处理建议。

控制系统的实现得益于变频器与PLC之间基于RS485串口的标准协议通讯。将变频器的参数、状态信息通过RS485串口传递给PLC，并将信息解析用以显示在HMI触摸屏上，最终实现本控制系统的核心架构。

3 系统设计

基于监控系统的设计思路，以及实际需要，变频器监控系统选用Siemens S7-200 PLC做为控制系统的数据接收控制器；Siemens MP277触摸屏做为人机交互显示界面；同时选用Siemens EM277通讯模块做为备用数据通讯接口，以便在监控系统监控的变频器种类多或通讯协议不同时做为扩展数据接口用。系统的三大主体设备如下：

3.1 Siemens S7-200 PLC

Siemens S7-200系列PLC，即可编程逻辑控制器，能够控制各种设备以满足自动化控制的需求。S7-200包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能模块通讯等功能，从而能够监控输入状态，改变输出状态以及达到控制的目的。S7-200PLC硬件与对外接口说明图如图1所示。

PLC的电源供电电压为220VAC，对外端口包括数字量输入DI、数字量输出DO、模拟量输入/输出AI/AO以及RS232/485通讯端口，还包括一路外接的24VDC供电电源。在本变频器监控系统中，主要用到的为RS485端口以及数字量输入DI量，其中RS485端口用于实现控制系统与变频器的数据通讯功能；数字量输入DI为备用外接变频器上端、下端与旁路的开关量信号所用，监测变频器是否带电，是否与输出负载连接，是否被旁路等相关信息；PLC的连接扩展口是需要与扩展通讯模块EM277连接。

3.2 Siemens MP277 HMI

Siemens MP277 HMI是一款属于“多功能操作平台”类的触摸屏，HMI内自带Microsoft WindowsCE 5.0标准操作系统。通过MP277 HMI可为用户系统提供全方位的操作和监视解决方案，使操作人员更好的掌握生产过程，使设备在最佳状况下运行。HMI操作面板的坚固、紧凑和多样化的特性，使其在任何时候都能集成于不同设备和自动化系统中。

Siemens MP277 HMI为变频器监控系统的人机交互接口，系统中所有被监控变频器的对象信息、状态、参数、历史曲线、故障服警信息等都由该部分装置显示，并提供人员的操作界面。所以，HMI是除系统的处理器之外最重要的部分，为了能有良好的处理界面与人性化的可视界面，选用的是10.4”大尺寸屏的MP277 HMI。MP277 HMI的外观示意图如图2所示。

3.3 Siemens EM277通讯模块

本系统中配置EM277模块是为了扩展PLC的通讯端口，系统为变频器预留2个RS485口，PLC和触摸屏连接也需要一个RS485接口，故，扩展EM277模块与触摸屏通讯用。控制系统为变频器预留两个RS485口的意义在于变频器监控系统至少能够实现支持两种协议的通讯方式。

EM277供电电源为24VDC，可从PLC的24V电源引入，亦可选用外供24VDC直流电源供电，本系统直接从PLC的24VDC引入EM277作为其供电电源，以避免外接24VDC电源出现损坏导致EM277非正常断电可能性。EM277示意图如图3所示。至此，监控系统的三大主体设备已经选择完成，由于PLC程序设计与触摸屏组态设计的灵活与方便性，使得本文中设计的变频器监控系统灵巧可变，运行稳定，适应环境能力强，操作方便，如图4所示，为变频器监控系统的运行监测界面图。对于变频器监控系统中的每台变频器，都配备一组系统化的界面，显示该变频器的运行参数、节能节电量、历史趋势、故障/报警处理建议等。

4 结语

PLC+触摸屏的监控方式，进一步简化了集中监控系统的硬件设备数量与软件设计工作量，从工业生产的角度讲，更进一步的缩短了系统开发的周期，也是一种新的监控系统设计思路，具有相对重要的理论意义。

在变频器监控系统的研究中，还有利用总线控制技术实现监控系统的方式，而基于PLC利用通讯技术实现监控的方式，是相对最稳定且经济性较好的方式，在目前的工业应用中，此方式实现的监控系统相对最普遍，可靠性最高，实时性也能够满足用户需求。市场推广潜力更大。在同类监控系统中，PLC做为监控器的方式从硬件上具有设备简便、成本低廉的优势；从软件方面具有程序设计简单，程序可调试程度强等显著的优点。

责任编辑 祁秀春