西门子6ES7231-7PF22-0XA0产品型号

可编程控制器[1]（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，编程简单，调试方便，在机械、化工、橡胶、电力、石油天然气等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。同时利用PLC所具有的串行通信和计算机的远程通信功能，可实现计算机对多台PLC控制装置的远程集中监控。
　　在石油、天然气远程输送管线上，大口径油气管道阀门是重要的基础设备之一，具有截止、开启、配送和调压等多种功能，一旦出现故障轻则影响管线的输送功能，重则导致管线的严重破坏甚至造成人生安全，因此对油气管道及阀门的全程状态监控显得尤为重要。远程油气管道监控系统就是为tigao油气远程输送的安全可靠性而提出来的，该系统允许系统操作员通过位于监控中心的计算机终端，进行对一定区域的阀门站进行远程，具有较高的可靠性和运行效率。
2. 监控系统的组成结构
　　远程油气管线监控系统硬件组成示意图如图1所示。该系统是以PLC作为远程控制终端，以工控PC机作为上位机的主从式一点对多点的远程无线监控网络，采用串行异步通讯协议。下位机PLC安装在各阀门站，根据上位机的指令或自身的控制程序控制阀门的开启或关闭，并配置各种传感器等辅助设备，组成数据采集和控制系统。上位机安装于油气调度控制中心，以半双工轮询方式同各阀门站PLC通讯，以此形成SCADA（数据采集与监控）系统。无线数传电台采用透明方式工作，只起数据传输作用，整个网络数据收发采用同一频率，通讯时，站点的识别是通过PLC的不同地址编号来实现的。
　　各阀门站采用PLC作为系统的基本RTU单元，完成各种测量和控制任务，主要由PLC本体、AD转换模块、传感器组与智能驱动装置四部分组成。

　　2.1 阀门电机主回路
　　图2为阀门电机主回路及PLC外部端子回路示意图。三相交流电动机M分别由交流接触器KMO和KMC的通断来驱动阀芯顺、逆时针转动实现阀门的开启或关闭。

　　2.2 PLC外部端子回路
　　系统选用三菱电机公司生产的FX2N-32MR作为RTU单元。智能驱动装置是引进美国Limitorque技术的SMC多回转型阀门电动装置，它可以单台控制，也可集中控制，可现场操作，也可远程控制，除能驱动阀门动作外同时还能将自身的状态以标准信号的方式送出供PLC进行状态检测[2]。考虑阀门站兼有就地和远程两种控制方式，PLC共管理12路输入信号和8路输出信号。其输入输出信号及端子分配如表1所示。
　　表1 PLC输入/输出信号及端子分配表



　　2.3 A/D转换模块
　　A/D转换模块选用与PLC本体配套的FX2N-4AD，其有四路独立的差分输入通道。每个通道可选择为电流型（±20mA）或电压型（±10VDC）信号输入。在每个阀门站管线或阀门的适当位置装上温度、压力和liuliang传感器，以采集油气管线的工作状态。参数信号经传感器变送后分别与FX2N-4AD各独立通道相连，经AD转换后放到相应的数据寄存器中，供PLC程序定时读取。
　　2.4 数传电台选型与设置
　　计算机与PLC之间采用无线数传电台方式进行通讯，采用交错编码、收后重发技术，tigao无线通讯的抗干扰能力，确保阀门站无线远程控制的安全可靠运行。数据传输模块选用美国的MDS2710数字传输电台，它可为两点之间的数据传输提供全透明的半双工通讯连接[3]。它一端与嵌入在PLC内的通讯FX2n-485-BD通过RS485接口方式相连，另一端则通过标准的RS232接口与监控中心服务器的串口连接，组成准双向的数据发送与接收无线通讯网络，网络的大节点数可达32个。
　　电台数据帧格式设置为7位数据位、1位停止位、偶校验的方式，传输速率为9600bit/s。电台发射功率为25W，采用收、发同频方式（235MHz），主站架设全向天线，阀门站架设定向八木式天线后，数据传输距离可达15Km以上，在地势平坦地区，通讯距离可达20Km。与之相适应PLC通讯格式特殊数据寄存器D8120设置为-8058，D8121寄存器用来设置各阀门站ID号。为了安全，除在天线安装了避雷针外，天线到电台之间的馈线也加装了避雷器。
3. 监控系统软件实现
　　系统对阀门的监控能实现就地控制和远程控制两种控制方式。系统控制过程流程为：传感器将测得信号通过屏蔽信号电缆传送到A/D转换模块的输入端，经过A/D转换模块转换后存入指定的数据寄存器供PLC读取。PLC将数据通过无线数传电台送出，后到监控中心供系统处理，完成一次数据采集过程。系统控制信号当为就地控制方式时由操作者通过阀门站控制箱内的按钮直接控制;当为远程控制时则由监控中心发出，PLC接收到信号后通过输出端口控制智能驱动装置使阀门动作。
　　系统软件由两部分组成：一是PLC端实时测控软件;二是监控中心计算机测控数据实时处理软件。
　　3.1 阀门站PLC软件设计
　　PLC端阀门站实时测控软件控制过程流程图如图3所示。它采用梯形图逻辑编制，编程方便且直观。因篇幅原因，下面给出PLC本体从FX2N-4AD给取AD转换结果及部分控制程序梯形图[1，4]，如图4所示。




　　3.2 系统监控中心软件
　　本监控系统软件是利用KingView6.5[5]编写。能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画图形方式显示控制设备的状态，具有数据库ODBC接口、DDE功能、可便利地生成各种曲线和用户报表，也可将数据以Excel格式输出。系统软件主要由实时监控、曲线动态生成、数据报表管理、数据库管理、报警及用户管理六大功能模块组成。
　　用户通过系统可随时清楚了解网内各阀门站的状态参数与阀门状态，对阀门实施远程控制，对所监测的各种参数均设有上、下限值，具有越限报警、紧急处理功能。系统将历史数据以多种方式保存，便于管理者进行阀门站运行数据的分析统计和故障分析[6]。图5为监控系统主画面。

图5 监控系统主画面
4. 结语
　　系统监控中心通过数据传输电台对油气管线中多阀门站参数同时实时采集、对异常情况及时报警，消除了安全隐患，极大改善了我国目前油气管线监管不力的现状，系统有较强的数据处理功能，实现了数据报表的自动生成、数据库的访问、排序、查询等多种功能。系统经半年多实际运行，其性能稳定，运行可靠，人机界面友好，易操作，使用维护方便，具有很好的可扩展性和较高的实用价值

1 引言
plc和变频器是自动化设备上常见的部件。其初的控制型式大多是用plc的i/o点和模拟量模块直接控制变频器的启停和实现调速，但这种控制方式有两大弊端，大的弊端是占用plc的i/o点和需要增加昂贵的模拟量模块，造成控制成本的增加。当被控制的变频器数量较多时，此弊端更是明显。第二个弊端是模拟量控制容易受干扰，传输距离也容易受限制。
近几年来自动化产品不断更新换代，性能不断tisheng，功能日益强大。在小型plc方面这个变化更加明显，现在的小型plc不仅执行速度大大tigao，指令功能日益丰富，更重要的是大都支持多种通讯协议，并提供了更多的通讯接口。同时大多的变频器也具有了rs485接口，也能支持多种通讯协议，常见的就是modbus协议。这种技术的进步为plc和变频器通讯的实现，提供了软件上的协议和硬件上的物理接口，从而为低成本高性能的通讯控制的实现打下了良好的基础。

2 通讯相关的基础知识
2.1 通讯协议communications protocol
通信协议是指通信双方的一种约定。这个约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程。
modbus协议是工业控制器中使用较普遍的一种网络协议。通过此协议，各种控制器之间（比如plc、变频器、伺服驱动器、各种智能仪表）、控制器通过其它网络（比如以太网）和其它设备之间都可以通信交换信息。该协议定义了一个控制器可以识别的信息架构，从而使不同厂商生产的支持此协议的各种工控产品可以连接到一个网络上进行集中控制和信息交换。
2.2 rs485接口的特点
rs485接口是在大家熟知的rs232接口的基础上推出的性能更优的一种串口。由于rs485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站功能等优点，它成为应用越来越广泛的串行接口。 此外，rs485接口组成的半双工网络一般只需二根屏蔽双绞电线，这为长距离的通讯线路节省了很多配线，降低了系统的成本。

3 台达plc和变频器通讯功能的特点
台达的dvp系列plc都具有两个通讯口，com1是rs232，com2是rs485，支持modbus ascii/rtu通讯格式，通讯速率高可达115200bps，两通讯口可以同时使用。所以无需用任何扩展模块就可以实现既可连接用于参数设置的人机界面又可用通讯的方式控制变频器等其它设备。并且dvp系列plc提供了针对modbus ascii/rtu模式的专用通讯指令，这样在编写通讯程序时就可以大大简化，无需像用串行数据传送指令rs那样要进行复杂的校验码计算和遵循复杂的指令格式。
台达的vfd系列变频器内建有单独的rs485串联通讯界面，并且也遵循modbus ascii/rtu通讯格式（vfd-a系列除外）。基与以上特点，台达的plc和变频器之间可以有三种方式的通讯控制。一是用串行通讯rs指令，但这种通讯方式要遵守特定的指令格式和进行复杂的校验计算，比较繁杂，本文不作说明。二是利用dvp系列plc提供的modbus专用通讯指令实现，这个功能适用于全系列的dvp系列plc。三是利用dvp系列plc的easy plc bbbb功能来实现，这个功能适用除es/ex/ss外的其它系列plc。本文就讲述以后两种方式的通讯功能的实现。

4 实现plc和变频器通讯时的准备工作
4.1 plc相关通讯口通讯格式的设置方法
台达dvp系列plc的每一个通讯口都对应有相关的特殊寄存器d和特殊继电器m，以进行通讯相关的参数设置和信息的传送。本文中要使用的com2对应的主要特d特m及其意义见表1。

表1 特殊寄存器和特殊继电器的意义

表1中的d1120是16位的寄存器，通过程序设置此寄存器的数值，以便使plc的通讯协议与待通讯的从机协议一致。d1120中各数据位代表的意义如表2所示，使用delta的专用modbus通讯指令时d1120高8位的数据可以不设置，可以看作全为0。比如我们要用的通讯格式为：7位数据长、偶数、1位停止位（亦即常说的协议为：7e1），通讯速率为9600，则通过此图表我们可以知道d1120中的数据为：0000 0000 1000 0110，即d1120=h86。这样在编通讯程序时把h86写入d1120，然后set m1120，就设定好了plc com2口的通讯协议。

表2 d1120中各数据位代表

4.2 进行通讯时变频器需要设定的相关参数及需要使用的通迅地址
变频器需要设定的参数及说明见图表3。如果进行变频器的通讯控制时必需设定这些参数，并且设定值要和plc的d1120值设置一致。

表3 变频器需设置参数表

当plc对变频器通讯进行数据的写入和读出时，就需要知道变频器所定义的相关功能的地址。然后依据这些地址进行数据写入和读出，才能实现对变频器的控制和得到变频器的当前信息。vfd-m系列变频器定义的本通讯实例中需用到的字址及其意义如表4所示。根据此表可以知道，当需要变频器以20hz正向运转时，就只需在变频器通讯相关的参数字址2000h写入：0000 0000 0001 0010，即十六进制的h12或十进制的k18；在2001h中写入k2000。

表4 变频器的通讯参数字址定义

4.3 plc和变频器间的通信线的连接
变频器通讯接口各脚分布及定义如图1所示。当与plc进行rs485通讯时，仅需使用编号为3和4的脚，其中3脚和plc的rs485接口的－相连，4脚与rs485口的+相连即可。变频器接口为rj－11接口，和常用的电话机的接口是相同的，而plc端是普通接线端子埠，因此通讯线的制作非常简单，无需用专用接口焊接通讯线。笔者曾用从电话机上拆下的一段电话线实现了plc与变频器间的通讯。

图1 变频器rs-485接口各脚定义

5 用modrw指令实现plc对变频器的通讯控制
modrw指令是dvp系列plc提供的modbus数据读写指令，此指令适于dvp全系列plc。因此可以利用低端的es主机完成与变频器的通讯控制，实现控制系统的佳性价比配合。本通讯实例就以es系列plc控制vfd-m变频器，以实现多段速的调速操作。
modrw指令格式为：modrw s1 s2 s3 s n。s1为联机装置的地址，与变频器通讯时即为参数p88的设置值。s2为通讯功能码，此指令支持三个功能码，即h03(读取多笔命令)、h06(单笔数据写入命令)、h10(多笔数据写入命令)。s3为欲读写的通讯从机的地址。s为欲读写的数据的存储地址。n是欲读写的数据长度，es系列plc当为ascii 模式时此值设定范围是k1-k8，当为rtu模式时为k1-k16。
本通讯实例是利用plc对变频器进行多段速调速控制，以实现一个单轴定位操作。其实现过程是这样的，自动动作开始时，plc以通讯的方式让变频器带动电机高速运转，用plc的高速计数器接收机械运转的位置信息，然后通过对位置信息的判断，实现在接近设定位置时变频器带动电机减速运动，直到后位置到达时停止，以实现定位功能。实现此功能的plc程序主要分三个部分，其一是高速计数程序及比较输出，其二是根据高速计数器的比较输出准备待通讯的数据，其三就是通讯程序。部分不是本文讨论范围，第二部分和第三部分的例子程序见图2、图3。

图2 待通讯数据写入程序

图3 通讯程序

6 用easy plc　bbbb功能实现plc与变频器的通讯
台达的plc bbbb功能是以modbus通讯协议为基础来进行数据读写，其特点是进行数据读写时不需要特殊应用指令，只需用mov指令进行数据交换。eh/eh2/sv plc作主站时支持m1353=on，可启动32台bbbb功能及超过16笔读写功能；sa/sx/sc主机仅支持16台bbbb功能及16笔读写功能。但能控制16台主机的能力就足以应付大多简单控制系统。用plc实现 bbbb功能时同样需要让主从设备的通讯口的通讯格式设置一致，所设置的方法同前文所述。
进行plc bbbb读写从站数据时，作为主站的plc其它需要设置的项目如表5所示。

表5 plc bbbb时需设置的寄存器

知道上述这些需要设置的数据，就可以编写plc与从机间实现bbbb功能的程序了。本例以sa plc作主机控制vfd-m变频器实现上例所述之多段速控制功能。例子程序如图4、图5所示，变频器的设置及通讯线的连接和上例相同。图4为待通讯数据的写入，与上例一样，通过对高速计数器接收的位置信息的比较结果，写入相应数据，以调节变频器的输出频率和动作。图5为bbbb 相关程序，其中m1351 on是启动bbbb为自动模式，m1350 on为bbbb功能开始。

图4 bbbb时待写入数据准备程序

图5 bbbb通讯程序

7 结束语
从两个通讯实例可以看出，台达的plc和变频器间实现高性能的通讯控制非常简单容易，且性价比极高，值得推广应用。但需要注意的是由于rs485口是半双工工作模式，因此当程序中有多条通讯程序段时，一定不能出现两个或以上的通讯程序同时被执行的情况