整廠變頻器監控系統

根據整廠變頻器的種類，通訊協議，設計現場數據采集方案。確定網絡拓撲，將現場數據采集器集成到獨立的數據采集網絡中。主機SCADA軟件通訊連接現場數據采集器，獲取整廠變頻器的當前運行數據，實現數據展現、記錄和報表功能。

引 言
隨著變頻器的廣泛使用，工廠變頻器的維護保養變得越來越重要。采集整廠變頻器運行數據是變頻器維護保養的有效手段。但是工廠內的變頻器多數是隨設備進來的，變頻器種類、型號非常繁雜，要解決整廠變頻器監控問題，需要進行整體設計規劃，重點解決好現場變頻器數據采集的問題。

1.現場變頻器數據采集器：
首先設計數據采集器。初級數據采集器至少要有一個支持Modbus RTU 或自由協議的RS485通訊口，用于與現場變頻器通訊，至少要有一個以太網接口，用于與主機通訊；高級數據采集器還要有第二獨立以太網口，用于與現場變頻器通訊。

1.1 RS485總線現場變頻器數據采集系統
一般通用變頻器都有RS485通訊口，如果現場設備不使用此通訊口，變頻器數據采集器就可以利用此端口組成RS485總線網絡，采集數據，數據采集器做RS485網絡的主站。不過必須限定RS485通訊功能，只能讀取變頻器運行數據，不能修改變頻器參數或發送控制字改變變頻器的運行狀態。一條RS485總線經典理論認為可以連接32臺變頻器，不過由于RS485通訊速度較慢，再加上現場電磁干擾環境復雜，實踐中將最大變頻器數量限制在10臺左右。
例如在現場自動化控制系統已經采用Profibus-DP現場總線控制方案時，就可以采用RS485總線數據采集方案，組成典型的雙網絡系統，如圖一所示：
 

圖一、RS485總線數據采集系統

當然，RS485總線的解決方案也同樣適用于自動化系統為數字量和模擬量輸入輸出的自動控制系統。
RS485總線數據采集方案在實施的時候，要求現場接RS485通訊線，設置變頻器站號、通訊協議和幀格式等參數，因此有一定的改造工作量，并對布線的抗干擾性能有較高要求。

1.2 工業以太網現場變頻器數據采集系統
如果客戶現場自動化控制系統已經采用工業以太網現場總線，如 PROFINET，Ethernet/IP 等控制變頻器，則可以采用以太網方式的變頻器數據采集系統。因為變頻器的以太網接口通常都支持多個TCP/IP連接，因此數據采集系統并不會干擾原自動化控制系統網絡。

比如西門子G120、S120系列帶PROFINET接口的變頻器，除支持PROFINET通訊之外，還同時支持S7 Communication 的通訊連接，現場數據采集器可以通過S7 Communication通訊連接采集變頻器運行數據；再比如丹佛斯FC300系列帶PROFINET接口的變頻器，除支持PROFINET通訊之外，還同時支持丹佛斯的 EthernetTSC 通訊連接，現場數據采集器可以通過EthernetTSC通訊連接采集變頻器運行數據。
總線型的工業以太網數據采集系統如圖二所示。

圖二、工業以太網總線數據采集系統

星形拓撲的工業以太網變頻器數據采集系統工作原理與上相同，即數據采集器使用變頻器自有TCP/IP協議與變頻器通訊采集運行數據，而不干擾原有自動化控制系統。項目實施相對比較簡單，只要將數據采集器的以太網線電纜插入現場交換機的空余的以太網接口就可以了。數據采集器這方面，出于系統安全考慮，必須有兩個獨立的以太網接口，一個面向現場變頻器，另一個面向中央計算機，兩個以太網接口之間是通訊隔離的，不存在路由或橋接關系。

1.3 現場數據采集器編程
現場數據采集器按變頻器通訊協議規范編制通訊程序。監控數據一般分為兩類，一類是要求更新速率較快的過程數據，另一類是更新速度較慢的服務數據。因此通訊輪詢程序要編成快、慢兩個循環體。讀取過程數據放在快速輪詢循環結構內，此循環體本體是一個雙循環結構，內環為站號循環，外環為快讀命令循環。整個快速輪詢循環結束以后，執行一個慢速讀命令。慢速輪詢循環體本體也是一個雙循環結構，內環為站號循環，外環為慢讀命令循環。整體程序框圖如圖三。
 

圖三、數據采集器程序框圖

根據現場變頻器的種類和數量，需要配置多個數據采集器，并編制各種不同的程序。

2. 整廠變頻器監控系統：
2.1 監控系統網絡
監控系統網絡的中心是數據采集與監控（SCADA）計算機。監控系統采用以太網將中央計算機與現場數據采集器連接在一起，網絡要按整廠設備分布合理設計。室內環境，節點距離小于100m時，可以用5類或超五類的屏蔽以太網電纜布線，但是要注意避開動力電纜，尤其是干擾嚴重的變頻電機電纜。室外布線一般要求用光纜，但是如果已經有防水橋架，那么用銅線也可以，防干擾要求同室內的。圖四為監控網絡組成的一個實例。

圖四、全廠變頻器數據監控系統網絡拓撲實例

2.2 監控軟件編程
監控軟件市場上有很多種，本文以WinCC為例，說明監控軟件的編制過程。
1）    首先建立設備連接
 

圖五、WinCC建立設備連接

項目中每一臺設備，即數據采集器都需要建立連接。

2）    建立變量
為每種變頻器建一個結構變量，然后分配地址。建立變量的時候要注意變量的數據類型和量程轉換。
3）    變量歸檔記錄
需要保存在數據庫中，用于歷史數據查詢的變量都要建立變量歸檔記錄。
 

圖六、WinCC變量歸檔

4）報警故障記錄
報警記錄為獨立的數據庫存儲數據。用WinCC報警記錄功能登記全部報警。
 

圖七、WinCC報警歸檔

5）畫面設計
畫面設計首先按照整廠車間布局，制作一級畫面系列；然后在車間畫面內，再根據產線布局，制作二級畫面系列；在產線畫面內，變頻器以小圖標方式顯示，只顯示輸出頻率一個過程值，并用顏色表示變頻器的狀態，綠色表示運行，紅色表示報警。
詳細圖略。

6）單個變頻器運行數據監控
按變頻器種類編制不同的變頻器運行監控子畫面，相同的變頻器使用相同的子畫面。這樣可以大大減少畫面開發的工作量。雙機變頻器圖標就可以打開此變頻器的運行監控子畫面。
 

圖八、變頻器監控子畫面

7）巡檢報告
利用WinCC報表功能，定期打印整廠變頻器運行數據，生成周或月巡檢報告，存檔備份。

結束語
使用整廠變頻器監控系統以后，可以在監控室方便地監控、追溯所以的變頻器運行狀況，便于工廠設備維護人員隨時了解現場變頻器及設備的工作情況，有利于提前發現故障，幫助判斷故障成因，最終降低產線故障停機時間。特別是那些以前被自動化系統遺漏的工廠輔助設備，現在也能納入監控范圍了。