基于Web Control的遠(yuǎn)程電機(jī)變頻控制系統(tǒng)

張?zhí)扃?張洪寶+王恒

摘要：近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)在全球的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)，越來越多的信息化產(chǎn)品需要能夠接入互聯(lián)網(wǎng)通過Web頁面進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和控制。本文描述了通過Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的靈活控制，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。

Abstract： In recent years， with the rapid development of the Internet around the world， the network technology is widely applied in all kinds of enterprises and industry system， more and more information products need to be able to access to the Internet via a Web page for remote access and control. Through a Web server sends the request commands are described in this paper， through the Internet data transmission， real-time control of PLC， realize flexible control of motor speed by the VFD， finally realizes the remote monitoring.

關(guān)鍵詞：Web遠(yuǎn)程；PLC；變頻

Key word：Web remote；PLC；VFD

中圖分類號(hào)：TM306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0225-03

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，把工業(yè)控制技術(shù)帶入了一個(gè)全新的發(fā)展領(lǐng)域，成為國內(nèi)外自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)?；赪eb Control的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息領(lǐng)域和控制領(lǐng)域的融合，且智能化管理系統(tǒng)越來越多的受到人們的關(guān)注與青睞。本系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)電機(jī)控制需要在現(xiàn)場(chǎng)控制的局限性，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，信息更加透明，提高工作效率，降低成本。

1 背景

目前，國內(nèi)外許多企業(yè)也致力于研究遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，調(diào)研了許多同類產(chǎn)品之后發(fā)現(xiàn)，此領(lǐng)域有很高的提高空間，只要克服了目前產(chǎn)品所存在的問題，會(huì)在市場(chǎng)上擁有極高的競(jìng)爭(zhēng)力。

本系統(tǒng)調(diào)研了市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了改良。硬件部分：柜體外觀的設(shè)計(jì)、控制面板設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì)和動(dòng)力回路設(shè)計(jì)，充分合理的利用所有的空間，功能齊全；軟件部分：包括本地控制和遠(yuǎn)程控制，對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳輸，通過Web服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。

基于Web Control的遠(yuǎn)程電機(jī)變頻控制是指：本地計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)視、控制和維護(hù)。主要目的是實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，改變運(yùn)行參數(shù)以及控制方式，與遠(yuǎn)端設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息共享，及時(shí)預(yù)報(bào)設(shè)備故障。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過Web網(wǎng)頁對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行各種狀態(tài)控制和變頻調(diào)速控制。Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，利用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。

系統(tǒng)要求：快速、高效、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，本地控制方便簡(jiǎn)潔，遠(yuǎn)程控制所有信息清晰明了，本地控制優(yōu)先級(jí)高于遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制過程：客戶端發(fā)送請(qǐng)求命令，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器通過基站把數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)送出去，設(shè)備通過無線接收設(shè)備接收命令，通過串口服務(wù)器對(duì)PLC做出相應(yīng)處理。

3 控制系統(tǒng)

3.1 PLC簡(jiǎn)介與選型

可編程邏輯控制器（PLC），采用可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司推出的一款高性價(jià)比小型PLC產(chǎn)品。結(jié)合SINAMICS驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品及SIMATIC人機(jī)界面產(chǎn)品，以S7-200 SMART為核心的小型自動(dòng)化解決方案，廣泛應(yīng)用與各行業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)PLC選用西門子s7-200smart系列，CPU選用SR60型。

S7-200smartCPU SR60的功能：

①提供大量的數(shù)字I/O點(diǎn)，36點(diǎn)輸入/24點(diǎn)輸出；

②通信端口數(shù)多，1個(gè)以太網(wǎng)口、1個(gè)串口（RS485）、1個(gè)附加串口RS232/RS485（信號(hào)板自帶）；

③可連接I/O擴(kuò)展模塊，最大開關(guān)量I/O達(dá)252個(gè)點(diǎn)；

④信號(hào)板擴(kuò)展，根據(jù)不同需求，選用不同的信號(hào)板。

3.2 串口服務(wù)器介紹與選型

串口服務(wù)器簡(jiǎn)單的說就是一種網(wǎng)絡(luò)通訊接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，它能夠?qū)⑽覀兂Ｒ姷腞S-232、RS-485、RS-422串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS-232、RS-485、RS-422串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得常規(guī)的串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，從而達(dá)到連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的。

本系統(tǒng)選用臺(tái)灣MOXA串口設(shè)備服務(wù)器NPort 5232。Nport5232共有2個(gè)RS-422/RS-485接口。

3.3 4G/3G無線轉(zhuǎn)有線路由器

本系統(tǒng)選用深圳科創(chuàng)通信Dial-Link公司的LTE4G&3G無線轉(zhuǎn)有線路由器，該產(chǎn)品是一款2.4GHZ/300Mbps全功能4G/3G無線路由器，基于MTK7620A芯片方案設(shè)計(jì)，符合IEEE802.3u協(xié)議。提供4個(gè)10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)LAN接口和1個(gè)WAN接口，實(shí)現(xiàn)4G/3G無線轉(zhuǎn)有線網(wǎng)口。

3.4 變頻器介紹與選型

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。

本系統(tǒng)選用匯川MD290系列變頻器，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高。

3.5 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接圖

本系統(tǒng)工作流程：3G模塊接收遠(yuǎn)端發(fā)送的數(shù)據(jù)（指令），通過交換機(jī)傳遞給串口服務(wù)器，串口服務(wù)器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，把TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議，通過RS485接口發(fā)送給控制單元PLC進(jìn)行執(zhí)行，PLC通過RS485接口把命令發(fā)送給變頻器，來控制電機(jī)的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

3.6 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)介紹

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信支持三種網(wǎng)絡(luò)通信：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（支持GPSR/3G）、無線網(wǎng)絡(luò)（支持802.11）和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（支持北斗系統(tǒng)）。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制命令，偏遠(yuǎn)的地方，超出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令和數(shù)據(jù)的傳輸。且本系統(tǒng)具有自動(dòng)識(shí)別（10s/次）網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)的功能，當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊正常時(shí)，優(yōu)先使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。確保系統(tǒng)在任何狀況下都能正常通訊。

遠(yuǎn)程服務(wù)端設(shè)有一個(gè)北斗，連接至工控機(jī)，用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令；本機(jī)端也設(shè)有一個(gè)北斗，通過RS232/RS485轉(zhuǎn)接口模塊連接至PLC RS485接口，用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收指令。北斗之間通訊，使用北斗通信定位終端一體機(jī)接口協(xié)議 V1.0.2，彼此之間通過北斗卡號(hào)建立通訊連接。

4 通訊系統(tǒng)

4.1 通信系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)通信系統(tǒng)由三部分組成：①Web服務(wù)器與PLC之間通訊；②PLC與PLC之間通訊；③PLC與凱山RTU之間通訊。

Web與PLC之間的通訊：基于TCP/IP協(xié)議和Modbus協(xié)議來制作的，通訊發(fā)起方為Web服務(wù)器，Web服務(wù)器異步調(diào)用基于TCP/IP協(xié)議開發(fā)的Socket的接口Api與串口服務(wù)器中的Socket建立TCP/IP鏈接，然后利用此鏈接將Modbus協(xié)議所規(guī)定格式的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口服務(wù)器，串口服務(wù)器中的Socket獲得Web服務(wù)器發(fā)出的可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀之后，利用協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為可以在串口中進(jìn)行傳播的數(shù)據(jù)流，然后將數(shù)據(jù)流通過串口發(fā)送給PLC，PLC將數(shù)據(jù)流以Modbus協(xié)議規(guī)定的格式解析出來，做出向?qū)?yīng)請(qǐng)求命令的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4.2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制步驟

基于Web Control的遠(yuǎn)程電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制步驟：

①現(xiàn)場(chǎng)控制柜上電，通過串口服務(wù)器向Web服務(wù)器發(fā)送連接建立請(qǐng)求，建立連接；②用戶通過Web客戶端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速等控制。

用戶通過Web客戶端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)操作（加/減速、正/反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)速、工作模式選擇）。

圖2中各對(duì)象介紹：

1）Web客戶端：后臺(tái)控制頁面，包含：控制面板（對(duì)電機(jī)進(jìn)行各種操作）、數(shù)據(jù)查詢/顯示、報(bào)警顯示；

2）Web服務(wù)器：遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令和接收現(xiàn)場(chǎng)返回?cái)?shù)據(jù)；

3）現(xiàn)場(chǎng)無線通訊設(shè)備：接收Web客戶端發(fā)送的控制命令，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送給PLC；接收PLC返回的數(shù)據(jù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送給Web服務(wù)器；

4）PLC控制器：接收控制命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行控制；采集各參數(shù)（電參、油壓、套壓等），發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)無線通訊設(shè)備。

4.3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能：

①可以靈活控制電機(jī)的各種狀態(tài)，例如：加/減速、正/反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)速等；

②具有更加完善的控制功能，有變頻控制和工頻控制，正常情況下為變頻控制，靈活控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，若變頻器發(fā)生故障，則會(huì)自動(dòng)切換至工頻狀態(tài)工作，并且會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，讓工作人員及時(shí)處理故障；

③具有自動(dòng)識(shí)別（10s/次）網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)的功能，當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊正常時(shí)，優(yōu)先使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。確保系統(tǒng)在任何狀況下都能正常通訊。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制采用B/S結(jié)構(gòu)，基于Web Control的遠(yuǎn)程控制技術(shù)是控制領(lǐng)域的一種前沿技術(shù)，推動(dòng)了控制領(lǐng)域和信息領(lǐng)域的融合。本系統(tǒng)結(jié)合客戶需求，功能齊全，設(shè)計(jì)新穎。從技術(shù)角度看，Web服務(wù)使用開放的技術(shù)（XML和 SOAP、Internet協(xié)議）和開放的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)的控制。這樣，Web服務(wù)可以真正地將系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)松散而有效地結(jié)合起來，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

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