一个基于PLC和交流变频器的实时监控系统.doc

一个基于PLC和交流变频器的实时监控系统

谢国胜 肖大雏 张世荣 周静
Xie,Guosheng Xiao,Dachu Zhang,Shirong Zhou,Jing
摘要：本文介绍了我实验室设计开发的一个基于ＰＬＣ和交流变频器的水位实时监控实验系统，给出了系统的硬件组成、软件设计及网络通信的实现。
关键字：监控;组态软件;ＰＬＣ;交流变频器; 通信 ＶＢ６．０
文章编号：1008-0570（2004）03-0025-02

１ 引言
水位调节实验装置是自动控制系统教学中常用的实验系统。传统的实验方法采用单元自动化仪表或微机实验装置，但随着计算机技术和控制技术的发展，原有的实验装置已不能适应现代工控技术的发展，为了使学生在自控系统实验中，不仅能直观生动地学习系统对象的特点特性、参数调节方法和调试过程，而且尽可能多地接触到现代工控技术，如ＰＬＣ技术、变频控制技术、网络通信技术、ＣＲＴ技术和智能控制技术等，我们研究开发了一套基于ＰＬＣ和交流变频器的实时监控实验装置，该系统集数据采集、微机控制、ＰＬＣ控制和变频器控制于一体，为老师和学生提供了很好的实验条件。

利用本实验系统可进行下列实验：
１． ＰＬＣ结构、原理、使用方法及通信；
２． 交流电机、交流变频器的结构、原理及使用方法
３． 工控组态软件工具（组态王等）的使用；
４． 通信网络结构及应用；
５． 微机分布式监控系统的组成及应用；
６． 双容水位对象的调节。
２ 系统简介
本系统是一个水位实时检测和控制实验系统，我们采用一般化的监控系统分层结构，整个系统分成三级：ＰＬＣ控制级、上位机监控级和管理监控级，如图１。
工艺流程主要包括三部分：首先，通过ＰＬＣ将水位传感器检测到的水位模拟量送至上位机的ＣＲＴ上显示；其次，上位机可发出起停泵、增减水位、手动自动切换等指令，并对上述指令信号动态采样，在ＣＲＴ上显示；再次，通过上位机之间建立的局部网络实现通信
功能，达到分布式监控的目的。
水位系统调节采用ＦＵＺＺＹ－ＰＩ方案，调节原理框图如图２。
３ 系统的硬件组成

该系统由四个监控子系统和一个管理级监控站组成。每一子系统包括上位机、ＰＬＣ、交流变频器、三相电泵、水位传感器和双容储水装置；管理级监控站与各子系统上位机均配备网卡，通过连网组成分布式监控系统，如图３。
１、 管理级监控站同时监督四套子系统的运行状况，具备报表打印功能，并作为网络通信的服务器协调各子系统间的通信。２、 上位机采用ＰＣ兼容机，通过ＲＳ－２３２接口与下位机相连，采集数据和发送控制信号，并通过网卡、同轴电缆与其它三台上位机及管理级监控站相连构成监控网络，网络拓扑结构为总线型。
３、 下位机选用ＯＭＲＯＮ ２００ＨＧ ＰＬＣ，配有ＲＳ－２３２／ＲＳ－４８５接口通信板、开关量输入模块ＩＤ２１２、开关量输出模块ＯＣ２２１、模数转换模块ＡＤ００３、数模转换模块ＤＡ００４。ＰＬＣ通过接口通信板的ＲＳ－２３２接口与上位机实时通信；现场手动信号通过ＩＤ２１２模块输入；通过ＯＣ２２１模块发送开关量控制信号；通过ＡＤ００３模块完成对水位传感器送上的模拟量信号（４—２０ＭＡ电流）采集；通过ＤＡ００４模块输出４—２０ＭＡ模拟量信号给交流变频器，以控制变频器的转速。
４、 交流变频器采用Ｐａｎａｓｏｎｉｃ ＤＶ７０７Ｈ系列，具备过压、欠压、过载及输出短路等多种保护功能，将它作为三相感应式电泵的变频电源实现电泵的无级调速，ＰＬＣ中ＤＡ００４模块输出一个４—２０ＭＡ范围变化的电流信号，送到变频器的频率控制端，使变频器输出相应的电压和频率（０—６０ＨＺ），从而改变三相电泵的转速。另外，交流变频器还有控制电泵的启停的功能。
５、 三相感应式电泵获得与变频器输出频率相应的转速，把水抽进连通管，连通管又通过出水阀将水排入水箱，这样构成水循环系统。
４ 系统的软件构成
本系统中，软件的设计开发均在ＷＩＮＤＯＷＳ环境下运行，我们应用工控组态软件组态王５．０建立上位机实时监控界面，利用ＯＭＲＯＮ ２００Ｈａ系列ＰＬＣ的上位机编程软件ＳＹＳＭＡＣ－ＣＰＴ完成对下位机ＰＬＣ的编程和调试，利用ＶＢ ６．０及ＷＩＮＤＯＷＳ的ＤＤＥ机制开发上位机通信程序。
１． 上位机监控界面的建立
组态王５．０软件为全中文菜单，界面友好，具有较高的性价比，而且附带近百种Ｉ／Ｏ设备的驱动程序，大大减轻了开发人员的工作量。用它建立的监控界面功能如下：
（１） 提供清晰完整的过程动态监测功能，支持工艺流程显示、实时趋势显示、历史趋势显示、数据列表显示，通过ＣＲＴ画面及图表的配合使用，从整体和细节两个方面对过程进行监控。
（２） 具备实时数据报告、历史数据报告和事件报警功能，支持报表打印。
２． ＰＬＣ的编程和调试
ＯＭＲＯＮ ２００Ｈａ系列ＰＬＣ的上位机编程软件ＳＹＳＭＡＣ－ＣＰＴ使用简便，有梯形图和语句两种程序编写格式，并具备在线监控、在线编辑、数据上传下传等功能。在ＲＳ－２３２接口基础上，只需把通信设置改成“ＣＯＭ２，９６００，Ｅ，７，２”（假设上位机使用ＣＯＭ２口，下同），即可实现与ＰＬＣ的通信。
利用该软件编写的ＰＬＣ程序功能主要有：
（１）系统的启停，信号实时监测，越限保护和指示灯报警；
（２）手动自动调节切换。手动时，允许现场手动调节和上位机手动调节；自动时，ＰＬＣ不接受手动信号，按照预先编写的ＦＵＺＺＹ－ＰＩ控制算法自动调节水位，该方式下，上位机可在线修改调节参数值。

由于该系统对象是一个无自平衡能力、迟延较大的双容水位对象，我们经过实验数据获取、仿真建模及修改、算法确定及调节参数优化这一系列步骤，确定了目前的ＦＵＺＺＹ－ＰＩ控制方案。当偏差｜ｅ｜ ＞ 给定偏差限ｅ０时，采用ＦＵＺＺＹ算法；否则采用ＰＩ算法。实践证明，该方案既能应用ＦＵＺＺＹ控制改善调节动态特性，又因为ＰＩ控制而有效地消除系统静差，得到较为理想的控制效果。系统调节程序流程图略。
３． 通信程序的开发
系统通信示意图如图４。
（１） 上位机监控程序与ＰＬＣ的通信：直接使用组态王 ５．０附带的ＯＭＲＯＮ ＰＬＣ驱动程序，将ＰＬＣ定义为一个ＯＭＲＯＮ 串行Ｉ／Ｏ设备，并把ＰＬＣ的某一指定寄存器通道（位），如ＩＲ１１１、ＤＭ００１０等，与组态王实时数据库中的一个数据变量相连接，就能通过该数据变量对ＰＬＣ指定寄存器进行读写操作。
（２） 上位机之间的通信：利用组态王自身的网络功能可直接实现上位机通信，但考虑到网络通信的灵活性，我们应用编程语言单独编写通信程序。在本系统中，我们应用ＶＢ ６．０中的ＷＩＮＳＯＣＫ控件实现上位机基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的通信。
ＶＢ６．０的ＷＩＮＳＯＣＫ控件有效屏蔽了对ＷＩＮＤＯＷＳ 套接字的低层操作，可方便地建立起网络中任意具有唯一ＩＰ地址节点间的连接，可用于创建Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ应用程序。本系统中，管理级监控站作为通信服务器端，各子系统上位机作为客户端。客户端应用Ｃｏｎｎｅｃｔ方法发送连接请求到服务器，服务器侦听（Ｌｉｓｔｅｎ）并接受（Ａｃｃｅｐｔ）来自客户端的请求（ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＲｅｑｕｅｓｔ），建立连接后，运用ＧｅｔＤａｔａ方法接收来自各子系统的数据，运用ＳｅｎｄＤａｔａ方法将数据依次发送到其它非数据源的子系统。
（３） 监控程序与通信程序的通信：应用ＷＩＮＤＯＷＳ ＤＤＥ机制。ＤＤＥ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｄａｔａ Ｅｘｃｈａｎｇｅ）即动态数据交换，是应用程序间通过共享内存进行进程间通信的一种形式。一旦客户与服务器间建立起ＤＤＥ连接就可自动进行数据交换。组态王与ＶＢ应用程序通过ＤＤＥ的Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、Ｔｏｐｉｃ和Ｉｔｅｍ设置可以方便地建立起连接，篇幅所限，不一一详述。
５ 结束语
传统的单元仪表或微机实验系统已经不能适应计算机技术和工控技术的发展，针对这一情况，我实验室基于ＰＬＣ、交流变频器以及网络通信技术开发了这套水位实时监控实验系统。通过该系统的建立，一方面提高了学生的动手能力，为学生加强对本专业工业过程以及现代工控技术的了解和掌握提供了强有力的手段，另一方面我们也积累了经验，为今后大规模的系统研发与运用打下基础。
作者简介：谢国胜，男，１９７６年生，武汉水利电力大学动力工程系工业自动化专业在读硕士研究生，在导师肖大雏教授的指导下从事工业过程计算机监控方面的研究工作。电话：０２７—８７８８２２１２转２８４０
（４３００７２ 武汉 武汉水利电力大学动力工程系）
谢国胜 肖大雏 张世荣 周静