整厂变频器监控系统

根据整厂变频器的种类，通讯协议，设计现场数据采集方案。确定网络拓扑，将现场数据采集器集成到独立的数据采集网络中。主机SCADA软件通讯连接现场数据采集器，获取整厂变频器的当前运行数据，实现数据展现、记录和报表功能。

引 言
随着变频器的广泛使用，工厂变频器的维护保养变得越来越重要。采集整厂变频器运行数据是变频器维护保养的有效手段。但是工厂内的变频器多数是随设备进来的，变频器种类、型号非常繁杂，要解决整厂变频器监控问题，需要进行整体设计规划，重点解决好现场变频器数据采集的问题。

1.现场变频器数据采集器：
首先设计数据采集器。初级数据采集器至少要有一个支持Modbus RTU 或自由协议的RS485通讯口，用于与现场变频器通讯，至少要有一个以太网接口，用于与主机通讯；高级数据采集器还要有第二独立以太网口，用于与现场变频器通讯。

1.1 RS485总线现场变频器数据采集系统
一般通用变频器都有RS485通讯口，如果现场设备不使用此通讯口，变频器数据采集器就可以利用此端口组成RS485总线网络，采集数据，数据采集器做RS485网络的主站。不过必须限定RS485通讯功能，只能读取变频器运行数据，不能修改变频器参数或发送控制字改变变频器的运行状态。一条RS485总线经典理论认为可以连接32台变频器，不过由于RS485通讯速度较慢，再加上现场电磁干扰环境复杂，实践中将最大变频器数量限制在10台左右。
例如在现场自动化控制系统已经采用Profibus-DP现场总线控制方案时，就可以采用RS485总线数据采集方案，组成典型的双网络系统，如图一所示：
 

图一、RS485总线数据采集系统

当然，RS485总线的解决方案也同样适用于自动化系统为数字量和模拟量输入输出的自动控制系统。
RS485总线数据采集方案在实施的时候，要求现场接RS485通讯线，设置变频器站号、通讯协议和帧格式等参数，因此有一定的改造工作量，并对布线的抗干扰性能有较高要求。

1.2 工业以太网现场变频器数据采集系统
如果客户现场自动化控制系统已经采用工业以太网现场总线，如 PROFINET，Ethernet/IP 等控制变频器，则可以采用以太网方式的变频器数据采集系统。因为变频器的以太网接口通常都支持多个TCP/IP连接，因此数据采集系统并不会干扰原自动化控制系统网络。

比如西门子G120、S120系列带PROFINET接口的变频器，除支持PROFINET通讯之外，还同时支持S7 Communication 的通讯连接，现场数据采集器可以通过S7 Communication通讯连接采集变频器运行数据；再比如丹佛斯FC300系列带PROFINET接口的变频器，除支持PROFINET通讯之外，还同时支持丹佛斯的 EthernetTSC 通讯连接，现场数据采集器可以通过EthernetTSC通讯连接采集变频器运行数据。
总线型的工业以太网数据采集系统如图二所示。

图二、工业以太网总线数据采集系统

星形拓扑的工业以太网变频器数据采集系统工作原理与上相同，即数据采集器使用变频器自有TCP/IP协议与变频器通讯采集运行数据，而不干扰原有自动化控制系统。项目实施相对比较简单，只要将数据采集器的以太网线电缆插入现场交换机的空余的以太网接口就可以了。数据采集器这方面，出于系统安全考虑，必须有两个独立的以太网接口，一个面向现场变频器，另一个面向中央计算机，两个以太网接口之间是通讯隔离的，不存在路由或桥接关系。

1.3 现场数据采集器编程
现场数据采集器按变频器通讯协议规范编制通讯程序。监控数据一般分为两类，一类是要求更新速率较快的过程数据，另一类是更新速度较慢的服务数据。因此通讯轮询程序要编成快、慢两个循环体。读取过程数据放在快速轮询循环结构内，此循环体本体是一个双循环结构，内环为站号循环，外环为快读命令循环。整个快速轮询循环结束以后，执行一个慢速读命令。慢速轮询循环体本体也是一个双循环结构，内环为站号循环，外环为慢读命令循环。整体程序框图如图三。
 

图三、数据采集器程序框图

根据现场变频器的种类和数量，需要配置多个数据采集器，并编制各种不同的程序。

2. 整厂变频器监控系统：
2.1 监控系统网络
监控系统网络的中心是数据采集与监控（SCADA）计算机。监控系统采用以太网将中央计算机与现场数据采集器连接在一起，网络要按整厂设备分布合理设计。室内环境，节点距离小于100m时，可以用5类或超五类的屏蔽以太网电缆布线，但是要注意避开动力电缆，尤其是干扰严重的变频电机电缆。室外布线一般要求用光缆，但是如果已经有防水桥架，那么用铜线也可以，防干扰要求同室内的。图四为监控网络组成的一个实例。

图四、全厂变频器数据监控系统网络拓扑实例

2.2 监控软件编程
监控软件市场上有很多种，本文以WinCC为例，说明监控软件的编制过程。
1）    首先建立设备连接
 

图五、WinCC建立设备连接

项目中每一台设备，即数据采集器都需要建立连接。

2）    建立变量
为每种变频器建一个结构变量，然后分配地址。建立变量的时候要注意变量的数据类型和量程转换。
3）    变量归档记录
需要保存在数据库中，用于历史数据查询的变量都要建立变量归档记录。
 

图六、WinCC变量归档

4）报警故障记录
报警记录为独立的数据库存储数据。用WinCC报警记录功能登记全部报警。
 

图七、WinCC报警归档

5）画面设计
画面设计首先按照整厂车间布局，制作一级画面系列；然后在车间画面内，再根据产线布局，制作二级画面系列；在产线画面内，变频器以小图标方式显示，只显示输出频率一个过程值，并用颜色表示变频器的状态，绿色表示运行，红色表示报警。
详细图略。

6）单个变频器运行数据监控
按变频器种类编制不同的变频器运行监控子画面，相同的变频器使用相同的子画面。这样可以大大减少画面开发的工作量。双机变频器图标就可以打开此变频器的运行监控子画面。
 

图八、变频器监控子画面

7）巡检报告
利用WinCC报表功能，定期打印整厂变频器运行数据，生成周或月巡检报告，存档备份。

结束语
使用整厂变频器监控系统以后，可以在监控室方便地监控、追溯所以的变频器运行状况，便于工厂设备维护人员随时了解现场变频器及设备的工作情况，有利于提前发现故障，帮助判断故障成因，最终降低产线故障停机时间。特别是那些以前被自动化系统遗漏的工厂辅助设备，现在也能纳入监控范围了。