發布日期：2022-04-18 點擊率：119
1 引言
變頻調速在船閘的動力拖動系統中是一個很重要的組成部分，船閘的閘門、閥門由于噸位和自重大，因此在運動過程中具有慣性大、沖擊性強、破壞力大的特點。利用變頻器控制閘門、閥門在運動過程實現低速啟、停，高速運轉，即保持了閘閥門運行的連續性和穩定性，又減少了閘閥門在啟、停階段的沖擊和碰撞。
本文主要介紹PLC和變頻器之間通過以太網通訊（以TCP/IP協議）方式實現船閘變頻調速的技術方案，包括系統架構、網絡控制的通信的參數設置及程序的設計方法。
2 控制方式
在船閘電氣控制系統中，PLC和變頻器是最主要的兩大控制設備，PLC與變頻器之間有多種多樣的通訊和控制方法。其中常見的有三種。
2.1直接控制方式
直接控制方式是傳統的控制方式，由PLC的輸出模塊輸出變頻器的控制信號，通過控制電纜將信號傳輸至變頻器的控制端子，變頻器根據接受的控制信號產生相應的輸出。直接控制方式適用于控制要求和精度較低，控制規模較小的應用場合。
2.2MODBUS通訊控制方式
采用MODBUS通訊方式實施控制主要利用了PLC和變頻器的MODBUS通訊接口，將PLC的CPU模塊與變頻器連接到網絡中來，網絡中的各種設備通過MODBUS通訊協議進行數據傳輸和交換。該方案因為其傳輸距離遠且造價低廉得到廣泛的應用。但是，MODBUS通訊控制的軟件編程和調試的工作量大而且繁瑣，很簡單的變頻器控制需要多條指令才能實現，且網絡通訊的速率低，抗干擾的能力不強。
2.3以太網通訊控制方式
隨著工業以態網的迅速發展，支持TCP/IP以太網通訊協議的變頻器越來越多。由于以太網通訊控制具有傳輸速率高、信息量大、傳輸距離遠的特點，因此采用以太網進行通訊和控制成為PLC與變頻器或是上位機與變頻器之間數據通信的主要手段。
3 以太網網絡架構
采用以太網控制的船閘變頻調速系統的網絡架構如圖1所示。
圖1 以太網船閘控制架構
圖2 參數配置
PLC是船閘電氣控制系統的主體，在系統架構中完成信息采集、數據運算、數據通訊、數據處理等工作。變頻器本體在船閘電氣控制系統中是驅動電機的執行機構，變頻器接受來自PLC的指令，并根據指令產生相應的輸出信號，驅動電機工作。變頻器以太網卡是變頻器的附加設備，變頻器通過網卡接入到控制網絡中，與其它設備進行通訊。以太網交換機是網絡通訊的主設備，承擔PLC與變頻器之間的數據通訊和數據交換。傳輸介質：網線/光纖是數據通訊的載體。
4 參數配置
變頻器網絡控制分為通訊參數及軟件設置與編程指令及執行兩類，如圖2所示。
4.1變頻器參數設置
變頻器參數設置是變頻器能否順利工作的前提條件，變頻器的參數設置一般包括以下內容：
（1）基本參數設置：主要包括變頻器及要驅動的電機的額定電壓、額定電流、額定電機功率、額定轉速、額定頻率等基本電氣參數的設置；
（2）控制參數設置主要包括：變頻器及電機的報警電流設置：當運行電流大于設定報警電流值時，由變頻器產生報警信號；
(3)低速頻率、高速頻率設置：設置電機運行的最低頻率及最高頻率，對電機而言，變頻器的輸出頻率也就是電機的輸入頻率。因此變頻器輸出頻率的改變，意味電機轉速也隨之改變，所以頻率的設定也即是電機轉速的設定；
（4）網絡參數通訊：基于以太網的變頻器控制最根本的通訊參數就是網絡中各通訊設備的IP地址設定、子網掩碼的地址、網關地址的設定。由于網絡中的變頻器是通過其附加的以太網卡接入到網絡中的，因此網絡通訊參數主要是針對該網卡進行的。
4.2PLC通訊參數設置
PLC通訊參數設置的作用一是通過參數配置使PLC的通訊功能得到正常使用，二是通過配置使PLC與變頻器之間可以進行數據交換，PLC的參數設置一般包括以下內容：
（1）基本網絡通訊參數設置：主要包括PLC本機的IP地址、子網掩碼地址、網關地址等基本網絡參數的設置，上述參數設置的原則是即要保持PLC與變頻器的IP的地址在同一個網絡地址段內，同時不同設備的IP地址不能有沖突；
（2）讀寫參數設置：主要包括指定寄存器的地址設置、分配、PLC內存區的地址分配PLC從變頻器讀入電機實時電流為例，程序流程圖如圖3所示。
圖3 電流讀取流程
5 項目優點
在船閘電氣控制系統中，變頻器采用網絡控制相比較其它控制方式，有以下優點：
(1)信息量大
變頻器采用網絡控制除了可以讀取變頻器的常規運行信息，如電壓、電流、轉速、頻率外，還可以讀取更多變頻器和電機的運行信息，比如各種報警信號及具體的報警類別、報警點位置、變頻器累計運行時間等信息，拓展了控制系統的信息量。使控制系統和管理系統可以無縫的融合。
(2)遠程控制
變頻器采用網絡控制，可以借助以太網具備遠程通訊的功能來實現網絡遠程控制，具有傳輸距離遠的特點，相比較于其它兩種控制方式，其遠程通訊的距離可以做到無限遠，只要在網絡能夠到達的地方，都可以實現網絡遠程控制和通信功能。
(3)傳輸速率高、抗干擾能力強
采用以太網通訊方式，理論速度可以達到100m/秒，因此傳輸的帶寬更寬，速度更快。而以太網的遠程通訊多采用光纖作為傳輸介質，具有傳輸速度快，抗干擾能力強的特點。
(4)節省工程投資費用
采用其它的控制模式，當一個系統中變頻器的數量增加時，其通訊電纜、施工、敷設、輔助材料的成本支出會隨之增加，并且隨著系統規模的擴大，成本增加的越多。采用網絡控制模式時，其通信成本的支出相對固定，系統規模的擴大，變頻器數量的增加所引起的通信成本上升相對較少，因此節約了工程投資和通信方面的成本。船閘作為水上建筑設備設施，線纜的布局、敷設、施工多諸多不便，因此這網絡變頻調速的這一特點尤其適合于船閘電氣控制系統。
6 結束語
基于以太網通信的船閘變頻控制技術，將以太網所具有的遠程通訊、傳輸速率高、信息量大、抗干擾能力強的特點與變頻器的實時檢測、自動報警、多極變頻等強大功能相結合，構建成一個安全、高效的船閘變頻調速系統。
作者簡介
蘇 禹(1975-) 男 工學士，高級工程師，研究方向為航務自動化裝備管理工程。
參考文獻
[1]李慶敏.艾默生PLC在變頻器網絡控制中的通信程序設計[J].建設機械技術與管理，2009（2）.
[2]陶玉梅.變頻器與PLC通訊的精簡設計[J].寧夏機械，2009（4）：42-44.
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