变频器通讯在空分设备中，如何将电机运行参数传输到DCS系统中，进行监控和分析？

 一、概述

    变频器，作为风机、水泵等的控制部分，在空分设备中得到大量应用。

    以重庆国际复合材料有限公司（简称CPIC）本部制氧站的空分设备为例，其中使用了多台变频器，用于控制泵或是风机等电气设备，如，冷冻水泵、冷却水泵、液氧泵、循环水泵等等。使用变频器进行调速控制，在节能的同时，改善了风机、水泵等的控制方式，通过查看变频器监控参数，便于使用者关注到设备的运行状态，当设备故障时，也能及时发出故障报警，进行处理。
    变频器控制的优势是显而易见的，但在空分设备的实际使用中，变频器运行参数的实时监控存在一定的问题。变频器中可以检查到电机运行的多项参数，如何将电机运行参数传输到空分设备DCS系统中，进行连续的监控、分析？如采用传统方式,即使用控制电缆将所需要的信号接入到DCS，则传输信号有限，并且占用大量DCS点位，耗费成本较高。另外就是采用通讯的方式，利用变频器和DCS都支持的通讯协议，将需要的参数传输给DCS。本文通过CPIC本部制氧站变频器通讯这一实例，来说明如何利用通讯方式将变频器信号接入DCS。

二、变频器简介

    变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

    变频器控制具有哪些优点？

    1）节能

    为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当在运行中不能满负荷运转时，就会消耗多余的电量，造成浪费。如风机、水泵等设备在使用中，对于调节风量、水量等，传统的调节方式是通过阀门或是风阀控制出风或出水量，而采用变频器控制，则可以通过改变变频器频率，减小风机或水泵的转速，以达到控制目的。这种方法减小了运行功率，在满足控制要求的同时，达到了节能的目的。

    2）控制优势

    通过调节变频器参数，可以很方便的改变电机正反转。同时，可以根据需要设置加、减速时间，使电机在启动和停止时比较平稳，电流较小。在变频器内设置合理的保护参数可以达到预警和保护设备的目的。当然，通过变频器其他相关参数的设置，还可以实现许多高级的控制方式，这是传统控制所无法实现的。

变频器通讯技术

    随着变频器的发展，特别是通讯处理能力的扩展，目前一般的变频器都带有一种或多种通讯接口，支持多种通讯方式与PLC或DCS进行数据通讯。

    目前，变频器常用的通讯协议有：

    1）Devicenet协议

    DeviceNet协议是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接，是一种低端网络系统。DeviceNet协议是一种低成本、简单、开放的通讯协议。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，条形码读取器，变频驱动器等）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。

    2）PROFIBUS协议

    PROFIBUS协议是由德国西门子公司开发的，是一种国际化、开放式异步串行通讯标准，广泛适用于制造业自动化和楼宇、交通、电力等各个行业。与其它现场总线系统相比，PROFIBUS协议的最大优点在于其稳定性及数据传输的高速率，在实际使用中的到了广泛应用。

    3）MODBUS协议

    MODBUS协议是由Modicon公司提出的一种串行数据报文传输协议。该协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过该协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以进行通信。目前，MODBUS协议已经成为一种通用工业标准，通过该协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

    其中，MODBUS协议由于其标准、开放且免费的特点，在工业控制中得到广泛应用，也是变频器支持最多的通讯协议。

三、变频器数据监控方案实施

    1、方案制定及硬件组成

    在CPIC的空分设备中使用了多台变频器控制风机、水泵等设备，在实行的设备巡检制度中，员工每天要定时巡检这些设备的运行状况，包括电机电流、转速、频率、有无报警等，虽能起到监控设备运行情况的作用，但这种方式监控的数据不够连续，不便于统计分析，且不具有实时性，无法及时发现设备故障。为了弥补这些不足，需要将变频器信号接入到DCS中进行集中监控，并通过DCS的趋势进行数据分析，判断设备整体运行情况。

    现场变频器采用的是ABB公司生产的ACS510系列变频器，该系列变频器本身支持MODBUS通讯协议，可以作为MODBUS通讯的从站，与主站进行数据通讯。CPIC本部制氧站使用的是浙江中控ECS100DCS系统，该系统通过特定型号的板卡，可以支持多种通讯协议，包括MODBUS、PROFIBUS等。但现有设备中，只使用了PROFIBUS通讯协议的通讯板卡，如想通过MODBUS通讯协议直接将数据通讯到DCS中，需要增加相应的板卡。考虑改造成本以及对系统的影响，决定采用西门子公司的S7-200PLC以及EM277通讯模块进行转换，以达到通讯的目的。

    2、硬件通讯接线

    本次改造方案中涉及通讯的主要硬件模块包括ECS100 DCS系统的FW239板卡、型号为6ES7212-1AB23-0xB8的S7-200PLC、西门子EM277通讯模块以及ACS510变频器。整个通讯包含了MODBUS通讯以及PROFIBUS通讯两种通讯协议的转换，其通讯链接如图1所示。

    3、变频器参数设置

    变频器在安装调试以及运行过程中，基本控制参数已经设置好，本次只设置通讯相关参数。

    设置参数内容主要包括通讯地址、通讯协议选择、通讯波特率等，具体参数设置如表1。

    PLC需要调用MBUS_MSG指令，向从站发送请求，用于读取或写入从站数据。该指令在执行时，需要设置请求类型（读或写）、从站地址、数据地址、数据数量以及数据在PLC的存储地址。指令输出信号Done为完成标志位，Error输出为通讯错误代码。当存在多个从站时，利用完成信号Done切换到下一个从站执行读写命令。PLC程序示例如下图：

图3 读取从站数据程序

    S7-200 PLC的EM277作为PROFIBUS-DP通讯的从站，因此，必须将通讯的数据存储在指定的地址，用于和DCS进行通讯。

    5、DCS组态

    通过ECS-100组态软件打开PROFIBUS-DP通讯设置画面，添加从站EM277，并设置相关参数，如图4所示。

    然后，在组态软件中定义变量，设置报警、趋势等，并绘制监控画面。

    6、调试、运行

    完成以上步骤后，进行通讯调试。在调试过程中，可以使用MODBUS通讯调试软件测试通讯是否正常。同时，要注意各设备通讯参数设置的一致性，如波特率、校验方式、通讯地址等。

四、总结

    通过本次变频器通讯的实施，将空分设备中现场电机的运行数据实时传输到DCS，实现了对设备运行状况的监控，并且实时成本低，易于操作。由此可以看出，通讯技术可以在空分设备中得到很好的应用，