硕士学位论文-变频电源实验平台及其监控系统.doc

学校代码：10254密 级： 论文编号： 上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY 硕 士 学 位 论 文MASTER DISSERTATION论文题目： 变频电源实验平台及其监控系统 学科专业： 检测技术与自动化装置 作者姓名： 袁庆林 指导教师： 袁 敏 高级工程师 完成日期： 二一年六月 上海海事大学硕士学位论文 变频电源实验平台及其监控系统论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名： 导师签名： 日期： 摘 要随着我国经济的发展，在工业生产、科学研究和教学示范领域对电源系统的要求也越来越高。作为电源系统重要组成部分的变频电源，其性能的优劣和品质的好坏直接关系到整个电源系统的安全运行和使用效果。现代变频电源以其低功耗、高效率、简洁的电路而倍受亲睐。本论文首先介绍了课题研究的意义，综述了相关技术的发展现状。接着介绍了变频电源的基本概念、原理和发展趋势，并给出了变频电源试验平台组成方案。接着对计算机监控系统基本概念、发展现状进行介绍，对其结构组成和功能要求进行了论述，设计了基于OPC技术的现场总线监控系统框架结构；完成了监测数据的选择。本文还介绍了本监控系统的使用环境和开发平台的选择；提出了变频电源装置的现场数据采集和现场总线数据通信方式，分析了OPC技术规范及原理，完成了变频电源实验平台上位机OPC客户应用软件（包括监控系统的人机界面）的设计、编程和调试，实现了对现场设备数据采集、传输和在上位监控软件上的显示、储存和打印报表等的功能。最后对全文进行总结。关键词：变频电源实验平台，监控系统，可编程控制器ABSTRACTWith the economical development of China, requirements of power system in the industrial production, scientific research and teaching demonstration are increasingly higher. A variable-frequency power source is an essential part of power system, whose performance is directly associated with the systems secure operation and using effect. The morden variable-frequency power source is quite favored duing to its low power consumption, high efficiency and compact circuit.The dissertation firstly introduce the significance of the research,reviewed the development situation of related technology.Secondly introduced the basic concepts ,principles and trends of the variable frequency power supply, and gives the composition of the variable frequency power supply test platform. Then introduced the basic concepts of computer monitoring system, the development status, its structure, composition and functional requirements were discussed, the design based on OPC technology fieldbus control system framework; completed the choice of monitoring data. This article also describes the environment use of the monitoring system and development platform of choice; proposed frequency power supply unit of field data collection and field bus data communication, analysis of the OPC specifications and the principle of variable frequency power supply to complete the experiment platform OPC Client PC application software (including monitoring and control system human machine interface) design, programming and debugging, the on-site data acquisition, transmission and monitoring software in the upper display, storage and printing reports and other functions. Finally, a summary text. Yuan Qinglin ( Detection Technique & Automatic Equipment ) Directed by Senior Engineer Yuan Min KEYWORDS: variable frequency power experimental platform, Monitoring control system, PLC目 录第一章 绪论11.1引言11.2课题背景与研究意义21.3变频电源实验平台研究现状31.4计算机监控技术的发展趋势51.5论文的主要研究内容7第二章 变频电源实验平台设计方案82.1实验平台设计目的82.2实验平台硬件总体设计方案82.2.1设计依据82.2.2变频电源实验平台的系统框图82.2.3系统组成92.3实验平台软件总体设计方案122.4本章小结12第三章 监控系统原理与方法133.1计算机监控系统概述133.2数据通信技术基础133.2.1数据通信系统133.2.2数据通信系统的质量指标143.2.3传输介质143.2.4串行通信143.2.5串行通信接口标准153.3输入输出通道与I/O接口163.3.1 I/O接口的功能163.3.2 I/O信号种类173.3.3 I/O控制方式173.4基于网络的计算机监控系统173.4.1集散控制系统概述183.4.2集散控制系统性能指标的评估193.4.3基于可编程序逻辑控制器网络的计算机监控系统193.4.4 Siemens公司的可编程序控制器网络203.5现场总线技术203.5.1现场总线技术概述203.5.2现场总线的技术特点213.5.3 PROFIBUS223.5.4 ModBus223.5.5 CAN总线233.5.6以太网233.6干扰及干扰的抑制技术243.6.1噪声243.6.2干扰的种类243.6.3常用干扰的抑制技术24第四章 实验平台监控系统功能设计264.1监控系统总体设计原则264.2监控系统总体设计思想274.3监控系统结构和功能274.3.1监控系统总线控制结构274.3.2监控系统功能块设计284.4监控系统的数据分类与数据流284.4.1模拟量294.4.2开关量294.4.3数据流向294.5本章小结30第五章 监控系统的软件、硬件组成315.1监控系统硬件组成315.1.1监控系统硬件网络构成315.1.2监控系统的网络组态325.1.3监控系统的通讯实现345.2监控系统软件组成355.2.1计算机监控系统常用软件技术355.2.2软件使用环境与开发平台选择365.2.3 OPC客户端程序365.3软件流程结构375.4监控系统监控界面设计395.4.1监控系统主控界面的设计405.4.2监控系统功能界面设计465.5本章小结51第六章 总结与展望52致 谢53参考文献54附录 攻读硕士学位期间公开发表的论文56VI第一章1.1 引言1节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前极为紧迫的一项任务。为推动全社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型社会，促进经济社会可持续发展，实现全面建设小康社会的宏远目标，国家发展和改革委员会提出了如下目标：而目前我国与其他国家的能耗差距主要在于单位产值能耗。据有关机构研究，2000年按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为127 4t标准煤，比世界平均水平高2.4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍。2000年，电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%，如火电供电煤耗高22.5%,大中型钢铁企业吨钢可比能耗高21.4%，铜冶炼综合能耗高65%，水泥综合能耗高45.3%，大型合成氨综合能耗高31.2%，纸和纸板综合能耗高120%。2000年，燃煤工业锅炉平均运行效率在65%左右，比国际先进水平低15%20%；中小电动机平均效率87%，风机、水泵平均设计效率为75%，均比国际先进水平低5%，系统运行效率低近20%；机动车燃油经济水平比欧洲低25%，比日本低20%，比美国整体水平低10%；载货汽车百吨公里油耗7.6L，比国外先进水平高1倍以上；内河运输船舶油耗比国外先进水平高10%20%。我国各类电机总容量约4.2亿kW，实际运行效率比国外低10%30%，用电量约占全国用电量的60%。“十一五”期间重点推广高效节能电动机、稀土永磁电动机；在煤炭、电力、有色、石化等行业实施高效节能风机、水泵、压缩机系统优化改造，推广变频技术、自动化系统控制技术，使运行效率提高2%，年节电200亿kWh照明用电，约占全国用电量的13%。为了顺应国家政策，更好地推广变频节能技术，对变频电源的研究是十分必要的。1.2 课题背景和研究意义随着变频电源产品在发达国家的广泛应用，上世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始涌进中国大陆，成为中国变频电源行业的开端。经过20余年的推广和使用，变频电源这一产品已经得到广大企业用户的认可，外资品牌从三肯、富士两个品牌发展到目前的40余个，同时涌现了近百个内资品牌，品牌总数达到140多个。从整体看，虽然国产品牌的数量众多，但绝大多数产销规模很小，综合竞争力较弱。 与发达国家相比，我国的变频电源技术相对落后。20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频电源推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。1996年，国家原机械部等四部委推荐国产29个厂家33个规格的变频电源，但由于大部分本土企业受技术、资金和体制等方面制约，发展较慢，难以形成和国外品牌抗争的局面。 21世纪以来，我国的变频电源行业高度裂变。众多外资品牌在中国建厂，实施本地化经营。另一方面，原有内资品牌的人员和资金不断分离，成立了众多企业，主要集中在沿海如广东、浙江、山东、上海等地区。在国家宏观政策的支持和鼓励之下，近几年内资品牌中出现了少数优势企业，其生产规模和产品综合性能已有较大提高。虽然尚未具备和西门子、ABB等国际顶级品牌展开全面竞争的实力，但与日本、台湾、韩国等地品牌相比已在部分细分产品和市场上显示出一定的竞争优势，市场份额逐步扩大，使国内变频电源市场的竞争格局有了明显改观2。变频电源实验平台主要应用于科研院所和高等院校对变频电源装置的设计、测试和研究，随着基于IGBT大功率器件技术的变频电源的广泛应用，例如船用变频电源、机床设备用变频电源、空调机组测试用变频电源等，各类应用对于变频电源的要求也不尽相同，为了适应各种类型变频电源的设计、制造和调试，缩短研发周期，提高变频电源的产品性能，研制和建立变频电源的实验平台越来越受到广大研究人员所青睐和重视。另外，由于计算机技术的迅速普及和发展，全世界范围内，人类的生产方式从机械化、自动化，跨入了智能化的新时代。而计算机作为上位监控机引入变频电源实验平台，加速了变频电源的智能化，为广大科研工作者及高校师生更深入的了解和研究变频电源起到了很大的推动作用。1.3 变频电源实验平台研究现状作为变频电源核心器件的变频器随着微电子学、电力电子技术、计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展，其应用也越来越普及。变频器的主电路不论是交-直-交变频还是交-交变频形式，都是采用电力电子器件作为开关器件。因此，电力电子器件是变频器发展的基础。第一代电力电子器件是出现于1956年的晶闸管，晶闸管是电流控制型开关器件，只能通过门极控制其导通而不能控制其关断，所以也称为半控器件。由晶闸管组成的变频器工作频率较低，应用范围很窄。第二代电力电子器件是以门极可关断（GTO）晶闸管和电力晶体管（GTR）为代表，在20世纪60年代发展起来的。这两种是电流型自关断器件，可方便地实现逆变和斩波，然而，其开关频率仍然不高，一般在2KHz一下。尽管这时已经出现了脉宽调制（PWM）技术，但因载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，使异步电动机在变频调速时产生刺耳的噪声，限制了变频器的推广使用。第三代电力电子器件是以电力MOS场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为代表，在20世纪70年代开始应用。这两种是电压型自关断器件，栅极信号功率小，其开关频率可达到20KHz以上，采用PWM的逆变器谐波噪声大大降低。而且其电压和电流参数均已超过GTR，因此变频器中的IGBT基本取代了GTR，低压变频器的容量在380V级达到了540KVA；而600V级则达到了700kVA,最高输出频率可达400600Hz，能对中频电动机进行调频控制。利用IGBT构成高压（3KV/6.3KV）变频器最大容量可达7460KW。第四代是以智能功率模块（IPM）为代表，IPM是以IGBT为开关器件，但集成有驱动电路和保护电路。由IPM组成的逆变器只需对桥臂上各个IGBT提供隔离的PWM信号即可。而IPM的保护功能有过流、短路、过压、欠压和过热等，还可以实现再生制动。简单的外部控制电路，使变频器的体积、重量和连线大为减少，而功能大为提高，可靠性也大为增加3。随着变频器的发展，以其为核心器件的变频电源作为“绿色能源”的推广也越来越普及。变频电源是将市电中的交流电经过ACDCAC变换，输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，在工业生产中越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。目前国内众多科研院所和高等院校都自行研制开发了不同规格，不同性能的变频电源实验平台。这些各自开发的实验平台装置大多是针对各自科研机构、高等院校本身的研究项目、课程特点以及科研教师与研究生的研究内容而言的，不具备面向全国科研院所和高等院校推广的通用性，而且装置本身的工作性能、保护系统和产品的市场化均存在着各自不完善的地方。1.4 计算机监控技术发展趋势由于大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世，是计算机的功能丰富多彩，可靠性大大提高，而价格却大幅度下降。尤其是工业用控制机，在采用了冗余技术，软硬件的自诊断功能等措施后，其可靠性已提高基本上能够满足工业控制要求的程度，使得计算机控制系统得到越来越广泛的应用。加之世界范围内出现的能源危机和市场竞争，工业生产规模更趋庞大，而且设备的更新换代，较大地提高了生产率。当前，计算机控制技术在沿着一下几个方面进行研究和发展。1. 集散式控制系统目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善，逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统又称为以微处理器为基础的分散型信息综合控制系统。集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统4。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。2. 现场总线控制系统它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用，实行真正意义上的全数字、全开放、互联及高可靠性。因此，现场总线控制系统（FCS）实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品5。3. 可编程序控制器在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。4. 计算机集成制造系统计算机集成制造系统又称计算机综合制造系统，它是在网络、数据库支持下，由以计算机辅助设计（CAD）为核心的工程信息处理系统、计算机辅助制造（CAM）为中心的加工、装配、检测、储运、控制自动化工艺系统和经营管理信息系统CIMS（Management Information System）6所组成的综合体。计算机集成制造是一种概念，一种哲理，是指导制造业应用计算机技术、信息技术走向更高阶段的一种思想方法、技术途径和生产模式，它代表了当前制造技术的最高水平，受到了广泛重视。5. 智能控制系统智能控制（intelligentcontrols），在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。智能控制的核心在高层控制，即组织控制。高层控制是对实际环境或过程进行组织、决策和规划，以实现问题求解。为了完成这些任务，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示、自动推理和决策等有关技术。这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析 ，而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。定量方法与定性方法相结合的目的是，要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。因此，在研究和设计智能系统时，主要注意力不放在数学公式的表达、计算和处理方面，而是放在对任务和现实模型的描述、符号和环境的识别以及知识库和推理机的开发上，即智能控制的关键问题不是设计常规控制器，而是研制智能机器的模型7。随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支（如系统 工程、系统学、运筹学、信息论）结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。智能控制正是在这种条件下产生的。它是自动控制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行控制的研究领域。1965年，傅京孙首先提出把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统。1985年，在美国首次召开了智能控制学术讨论会。1987年又在美国召开了智能控制的首届国际学术会议，标志着智能控制作为一个新的学科分支得到承认。智能控制具有交叉学科和定量与定性相结合的分析方法和特点。1.5 论文的主要研究内容本文以变频电源实验平台设计及其监控系统开发为研究对象，结合该实验平台的功能与特点，主要进行如下内容的研究： 1. 分析、研究变频电源实验平台及其监控系统的组成方案，在实验室已有变频电源的基础上设计一种新型的变频电源实验平台及其监控系统组成方案。 2. 分析比较变频电源实验平台各模块的组成元器件；完成构建实验平台监控系统软硬件的选型。 3. 分析、研究适用于本实验台的监控系统的原理、方法。4. 确定本实验台监控系统所要实现的功能。5. 研究计算机监控系统的软硬件实现，包括监控系统的硬件构建，监控系统的通讯网络组态，监控系统硬件设备之间及软硬件设备之间的通讯方式及实现；分析监控系统软件功能要求，确定监控系统软件使用环境与开发平台，完成上位机监控界面的设计，实现对现场设备的实时运行数据及状态数据的监控。第二章 变频电源实验平台及其监控系统组成方案2.1 实验平台设计目的随着电力电子技术的蓬勃发展，国内外许多大学和科研机构中的电气自动化课程及电力拖动课程均配备了比较先进的实验设备和实验平台。国内许多院校也自行研制了自己的实验平台，这些实验平台大多是针对各自院校自身课程特点开发研制的。 针对目前实验装置的发展情况，结合本研究课题的实际来设计建设变频电源实验平台及其监控系统，其目的就是希望能够给广大教师的科研项目提供一个良好的实验平台；给研究生提供一个良好的实验环境；使学生和教师尽可能的了解、掌握现代变频电源方面的知识，熟悉各不同系统的特点、应用情况以及各现场设备运行状况；理解并熟悉变频控制、现场总线技术、网络化PLC控制、系统集成设计等方面的知识；增强学生的动手实践能力，将学生的理论知识与实际操作相结合。2.2实验平台硬件总体设计方案2.2.1 设计依据 质量管理体系要求 GJB/Z9001A-2001 电能质量公用电网谐波 GB/T14549-1993 Q/AK004-2001 静止式变频电源技术条件 Q/01AK001-2005 程控变频调压电源 计算机软件产品开发文件编制指南GB/T8567-1988 相关国标和设计规范等技术标准2.2.2变频电源实验平台的系统框图 图2-1为系统框图 图2-1系统框图2.2.3系统组成（1) 输入/输出开关柜输入/输出开关采用空气断路器，用于过载、过流和短路的保护。输入EMI滤波器主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量。（2) 变频器柜变频器是变频电源最重要的组成单元。在众多变频器型号中，本设计考虑采用通用型变频器。由于通用型变频器设计主要应用于电动机的电力拖动，所以其逆变电路无论在电流冲击及过载能力、IGBT功率器件的性能和容量、逆变电路的控制及频率精度、监测和保护等等方面都比一般单纯作为电源使用的要求要高，而且由于通用变频器应用于大规模生产，其稳定性、质量、价格均比小批量自行设计的逆变电路的变频电源好8。本实验平台中变频器选用芬兰VACON公司生产的高性能通用变频器，如图2-2。图2-2 芬兰VACON公司高性能通用变频器（3) 谐波抑制器谐波抑制器主要由滤波电容器、滤波电抗器、无感电阻、控制保护系统等组合而成，与谐波源并联，根据谐波电流的成份、大小及系统的无功需求情况进行设计，使得装置向谐波提供一个低阻抗通道，大部分谐波电流流入谐波装置，避免其流入电网，使电网的畸变变小910。（4) 输出变压器柜选用环氧树脂浇注高质量低短路阻抗干式变压器，绝缘级别为H级，该变压器专为变频电源设备特殊设计。具有较低短路阻抗、低损耗、低发热量及高效率特性。硅钢片采用0.3mm高导磁晶粒取向硅钢片。干式隔离变压器增加用电安全和防止来自电网的干扰，能有效地防止负载电网和供电电网的相互干扰，同时也保护变频电源装置不会由于负载设备地故障而造成损坏。本电源的设计所选用的几大部件是成熟产品，其可靠性高，而且系统的结构简单、线路清晰，便于日常的维护、诊断和维修。本变频电源装置的输出频率和电压在一定范围内可调整，特别是在使用时出现线路电压损耗的情况下，可调整设定值，升高电压予以补偿。（5）负载 本实验台负载选用了上海电压调整器厂生产的接触调压器。调压器就是匝数比连续可调的自耦变压器,，当调压器电刷借助于手轮主轴和刷架的作用， 沿线圈的磨光表面滑动时，就可连续地改变匝数比，从而使输出电压平滑地从零调节到最大值。（6) 电力智能仪表 本实验平台选用Acuvim系列多功能智慧型电力仪表，其采用现代的微处理器和数字信号处理技术设计而成。集合全面的三相电量测量/显示、能量累计、电力品质分析、故障报警、数字输入/输出与网络通讯于一身。大屏幕、高清晰液晶显示，并且提供大窗口多行显示方式，可以同时读取多项电力参数而无须触碰按键。与传统仪表相比，Acuvim由于引入了数字信号处理技术，使得在线式的电力质量分析成为了可能。各相电压、电流的总谐波畸变率（THD），各次谐波分量和电压、电流不平衡度均可实时测量。（7) 控制器 本实验平台选用西门子S7-200系列PLC作为主控制器，在第五章中有其具体介绍。其余控制器有变频器、继电器、操纵台主令控制器。（8) 计算机 在本实验平台中上位计算机选用工控机。工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。其技术特点：1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 2、采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 6、具有自诊断功能。 7、可视需要选配I/O模板。 8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 9、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。2.3 实验平台软件总体设计方案在整个监控系统中，西门子S7-200（224）作为系统的主控制器，变频器、智能电表等作为从站。在现场设备中，通过RS-485接口来进行数据传递。在整个监控系统的主从站间采用Modbus通讯协议，但是作为从站的现场设备Vacon NXP系列变频器的标准配置是不自带Modbus通讯接口卡，所以需另配现场总线Modbus卡（OPT-C2卡）来实现其与主站PLC间基于Modbus通讯协议的通讯。主站PLC与上位计算机通过以太网连接，上位监控软件用VB高级语言编写，通过 OPCServer（服务器）与标准的OPCClient（客户端）来实现主站PLC与上位计算机系统之间的通讯和实时数据的采集。在本监控系统的软件中，OPCServer（服务器）采用的是S7-200专用OPCServer（服务器）PC Access，而上位监控软件标准的OPCClient（客户端）则是采用VB自带的DatCon控件。PLC作为现场控制器来运行控制程序（梯形图）；PC机作为上位机，运行PLC编程软件及完成对PLC的编程，上位计算机作为整个系统的监控计算机完成整个系统的数据采集和发送，实现对现场设备进行控制。实验平台监控软件采用可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言Visual Basic 6.0编写。通过该监控软件可以实现远程控制，也可以设置各种参数，通过该软件上的各个界面能非常直观的看到各参数的实时值，同时采集变频电源输入输出电流的质量参数，将其中一些数据例如输出电压等以波形的形式直观的显示出来，并将一些参数储存在上位机上便于查询，打印报表，同时该软件还能监控变频电源输出电流质量，在变频电源出现故障时及时报警并记录故障原因。2.4 本章小结本章首先明确了设计本实验平台的目的。接着论述了实验平台硬件设计方案，列举了设计依据，给出了整个实验平台系统框图。在系统框图的基础上对系统平台和监控系统的各部分组成进行进一步的分析、论述。最后给出了实验平台监控软件的总体设计方案。第三章 监控系统原理与方法3.1 计算机监控系统概述 计算机监控技术是一门综合性的技术。它是计算机技术（包括软件技术、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术）、自动控制技术、自动检测和传感器的综合应用。 所谓计算机监控，就是利用传感装置、智能仪表通过变送转换将代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监测对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据储存起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本。更为重要的是通过应用计算机监控技术还可以降低劳动者的生产强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。3.2 数据通讯技术基础11 数据通信是完成数据编码、传输、转换、储存、处理的过程，是计算机技术与通信技术相结合的产物。随着计算机监控技术大规模、远距离等应用的增多，数据通信技术在计算机监控技术中所占的位置越来越重要。 3.2.1 数据通信系统 数据通信系统是指以计算机为中心，通过数据传输将分布在各处的数据终端设备连接起来，以实现数据通信为目的的系统。实际的数据通信系统是千差万别的。例如，可以是两台计算机点对点近距离地传输数据，也可以是分布在各地的数百台甚至更多的计算机相互间传输数据。传输信道可以是简单的两条导线，也可以是又传输介质、数据中继、交换、储存、管理设备构成的通信网络。 3.2.2 数据通信系统的质量指标 数据通信系统的性能可以用数据传输速率、有效性等指标来衡量。 （1） 传输速率 1）符号（码元）传输速率 2）信息（比特）传输速率 （2）可靠性质量指标 1）码元差错率（码元误码率） 2）比特差错率（码元误码率） 3）可靠性 （3）有效性指标 1）功率利用率 2）频带利用率3.2.3 传输介质 传输介质是数据通信的物理线路，双绞线电缆、同轴电缆、光导纤维属于有线介质，微波等属于无线介质。 1）双绞线电缆：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线 2）同轴电缆 3）光导纤维 4）无线传输介质 5）电力线3.2.4 串行通信 串行通信在计算机监控技术中应用是十分广泛的。利用RS232串行通信接口可实现两台个人计算机的点对点的通信；将RS232口转换为RS422或RS485接口，可实现一台个人计算机与多台现场设备之间的通信；通过RS232口与其它外设（如打印机、逻辑分析仪等）连接；通过RS232口连接调制解调器远距离地与其它计算机通信。另外，计算机局域网、现场总线等都是使用串行通信技术的。在串行通信中有同步通信与异步通信两种方式。3.2.5 串行通信接口标准 （1）RS232串行通信接口 RS232通信接口又称为EIA RS232C，它的正规名称是：数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）在进行串行二进制数据交换时的接口。RS232标准（协议）是美国EIA与BELL等公司于1969年制订并公布的。其初衷是为远程通信连接数据终端设备DTE和数据通信设备DCE而制订的。RS是英文Recommended Standard的首字母缩写。但是，RS232目前已经发展为计算机的一个标准接口，广泛应用于计算机与各种标准外设的连接。 （2）RS422/485串行通信接口 由于RS232接口标准出现比较早，应用也比较广泛，一般的个人计算机、智能控制单元以及各种智能仪表都配备有该种接口。但是，因为这种接口的电平转换芯片无论是发送端还是接收端都是使用单端方式，因此，在长距离传输时很难避免线路上的电磁感应干扰；同样，由于长线传输致使发送端和接收端的电位不一致，从而造成接收端产生错误的数据输出。另外，RS232规定的最大负载电容为2500pF，这也大大地限制了数据传输的速度。鉴于RS232存在的诸多问题，人们提出了各种改进方案，其中应用比较广泛的有RS422/485（总线）接口。RS422采用的是一种平衡方式传输数据。所谓平衡方式，是指双端发送和双端（差动）接受方式。这种传输方式逻辑电平阀值降低了，有利于数据传输速度的提高。但是，尽管是RS422的电平阀值降低了，其抗干扰能力与RS232相比却大大提高了。这是由于电磁感应而产生的干扰电压源在幅值和相位上都基本相同，特别是采用双绞线作为传输介质时，它们对以差动方式输入的接收器不会产生太大影响。正是由于抗干扰能力的提高，RS232的传输距离增大了。RS485接口是RS422接口标准的变型，它同样采用双端发送和差动接收的方式。RS422为全双工方式，而RS485为半双工方式。在RS422接口总线上只能有一个发送器和十个接收器，而RS485接口总线上则可以有多个发送器和多个接收器。由于RS485除了具有RS422的优点外，还可以方便地实现多点之间的通信，所以，RS485标准的应用十分的广泛。3.3 输入输出通道与I/O接口11 输入输出通道时计算机监控系统中计算机与被监控过程的现场设备之间的物理信息通道，故又称为过程通道。如果将计算机监控系统视为一个人体系统，计算机就类似于人体的大脑，它接受外部信息，并对接收到的信息进行加工处理；而输入通道就类似于人体的五官，其作用是获取外部信息并传输给计算机处理；输出通道就类似于人体的四肢，用于完成执行计算机处理信息进行传递和变换的连接装置，这种连接装置就称为输入输出过程通道，它是组成计算机监控系统的重要组成部分。3.3.1 I/O接口的功能 （1） 数据缓冲功能：计算机的工作速度快，而外部设备的工作速度比较慢，为了避免因速度不一致而丢失数据，接口中一般都设置有数据存储器或锁存器，通常将其称为“数据口”。例如，当计算机将数据传送至“数据口”后，即可继续执行其它的任务，而不必等到外设准备好。（2） 信号转换功能：由于外部设备所需的控制信号和所能提供的状态信号与计算机能识别的信号往往是不一致的，特别是连接不同公司生产的芯片时，进行信号之间的转换是不可避免的。信号的转换包括：时序的配合、电平的转换、信号类型的转换（模拟量变数字量或数字量变模拟量）、数据宽度的转换（并行变串行或串行变并行）等。 （3） 驱动功能：由于计算机总线的信号驱动能力有限，当要连接多台外部设备时，总线可能就会不堪重负。为此，可以将一个接口与多台外部设备向连接，从而减轻计算机的负担。 （4） 中断管理功能：当外部设备需要及时得到计算机的服务时，就要求接口设备具有中断控制管理功能。此时，接口为计算机处理有关中断事务，如提出中断请求，中断优先级排队，提供中断向量等。这样既加快了计算机对外部的响应速度，又使CPU与外部设备能并行工作，从而提高了CPU的效率。 3.3.2 I/O信号种类 （1） 开关量信号（数字信号） （2） 模拟量信号 （3） 脉冲信号 3.3.3 I/O控制方式 一个计算机监控系统往往有许多的外围设备，它包括显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标以及各类过程（I/O）通道。整个系统的运行过程基本上就是计算机与各种外围设备交换数据的过程，而计算机的工作速度与上述外围设备的工作速度又千差万别。为了能使各种外围设备在CPU的统一管理和调度下有条不紊地工作，共同完成对生产过程的监控任务，CPU采用分时工作方式。每个外围设备都在规定的时间段内得到CPU的任务。因此，必须确定一个CPU与外围设备交换数据的方式，这就是I/O控制。通常采用的I/O控制方式有三种：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式（DMA方式）。在进行计算机监控系统设计和开发时，可以根据外围设备的种类以及系统的需要，分别采取一种方式或同时采取两种及两种以上的方式。3.4 基于网络的计算机监控系统概述 基于网络的计算机监控系统，是指利用计算机网络将计算机监控系统中的各个功能部件（子系统）连接起来，使其能够相互协调工作的系统。功能部件的种类是多种多样的，例如，可以是集散控制系统中的现场控制站，也可以是一个操作员站；可以是一个可编程控制器，也可以是一个智能传感器。计算机网络的拓扑结构也是多种多样的，例如，可以有总线、环形、星形、树形或者是混合形。通过采用基于网络的计算机监控系统，可以实现分布式的数据采集或过程控制，大大地提高了系统的可靠性。另外，基于网络的计算机监控系统在结构上有很大的伸缩性，可以根据需要方便地扩大或缩小系统的规模。再者，基于网络的计算机监控系统可以方便地与上层的管理信息系统集成。这样，上层的计划或指令可以方便地下达到计算机监控系统；同时，现场的各种实时数据也可以迅速地上传，使得管理人员可以随时了解现场的生产情况。现在基于网络的计算机监控系统已经得到了广泛的应用。3.4.1 集散控制系统概述 集散控制系统的英文名称为Distributed Control System，简称DCS，又称分散控制系统。 20世纪70年代中期以前，自动控制技术以模拟电动仪表为主流。而当时的实际情况是： 随着生产过程规模不断地扩大，使得中央控制室的仪表数量越来越多。以一些大型的炼油厂或化肥厂为例，中央控制室的仪表屏的长度最大时可达到60余米。众多的模拟仪表使人眼花缭乱，大大地增加了操作人员的劳动强度。 大规模的生产过程对可靠性也提出了更高的要求。可以设想一下，一个大型高炉一旦由于控制系统的故障，使得铁水在高炉内凝结，将造成整个高炉报废，损失可能超过100亿人民币。对于一些大型的炼油厂或化肥厂，停产1小时损失也会高达上百万人民币。更何况有时控制系统的故障还会造成重大的人身安全事故。对于大型控制系统，一般要求平均无故障时间MTBF至少达到数万或数十万小时，这是采用模拟电动仪表所难以实现的。模拟电动仪表与现场被测控的物理参量之间都是一对一的连线，对于大型的控制系统，测控参量往往多达数千个甚至数万个，众多的导线首先会使中央控制室中的接线柜的数量大大增加，使得整个控制系统体积庞大、重量重和成本高。另外，连线过多还会增加故障的隐患，且在发生故障时难以确定根源。现代化的管理要求能够迅速地获取现场的各种数据，并且将这些数据保存下来，形成各种报表，并对其进行分析，这些都是模拟电动仪表难以实现的。虽然当时计算机已经在工业控制中应用，其所具有的数字化控制算法使得系统的控制相对变得方便，但当时所使用的计算机多为大型计算机，采用集中控制的方式。这种方式对计算机的可靠性要求非常高，一旦计算机的硬件或软件发生