基于以太网的远程监控应用.docx

远程速度监控系统设计及其应用 摘要：本系统以fx3u系列plc为控制核心，以太网模块作为接口，速度控制系统作为被控对象，并采用旋转编码器采集电机速度脉冲而设计的远程速度控制系统，实现了基于以太网的远程速度监控。该系统具有电路简单、控制方便等优点，有一定的可拓展性。关键字：远程监控；以太网；plc；变频器；np801abstract: in this paper, employed fx3u series plc as the core component, ethernet module as the interface and speed control system as the object, a rotary encoder is applied as a motor speed sensor to realize remote speed monitoring based on ethernet. the system possess of many excellences, including its simple circuit ,expedient control, and it has a certain degree of development.keywords: remote control; ethernet; plc; frequency converter0 引言 随着计算机和网络技术的发展，引发了远程监测、监控领域深刻的技术变革，系统结构向网络化、开发性方向发展将是技术发展的主流。以太网作为目前应用最广泛的局域网技术，凭借其开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。目前，远程监控技术的主流是应用以太网技术，基于以太网的远程监控能够实现信息的快速采集和综合处理。通过远程监控,技术人员无须亲临现场就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，利用及时的信息提高管理决策水平。本文即以速度控制为研究对象，以三菱fx3u系列plc为核心，以np801模块为以太网接口，设计了一个基于以太网的远程速度监控系统，完成电路硬件与软件的设计，并对系统进行调试论证。1 远程监控系统定义远程监控从字面上理解可以分为“监”和“控”两部分,其中“监” 也就是远程监视,可以分为两大部分:一是对环境的监视,二是对计算机系统及网络设备的监视,本文所指对电机实际反馈速度进行监视；而“控”也就是指远程控制,是指通过网络对远程计算机或设备进行操作的方法，本文指通过上位机对远程plc进行比例系数、积分时间和微分时间的调节，从而使电机实际速度快速平稳地达到所设定的目标速度。2 监控系统硬件设计2.1 系统组成及硬件设计以太网交换机np801上位 pc机机编码器m 变频器485bdd/afx3u plc 图2.1 系统硬件结构图系统工作原理：先由脉冲旋转编码器负责实时采集电机运行得到的脉冲信号,并把脉冲信号直接以数字形式传送给 fx3u plc,plc的c251高速计数器对脉冲进行双相计数，通过程序处理后得出单位时间内电机实际转速对应的脉冲数，并作为反馈值送到数据存储器d160储存下来，再与设定的目标速度对应的脉冲数比较并经pid运算后将结果值通过d/a模块转换后的模拟量信号送给变频器，依此信号的变化改变变频器的输出频率，使电机实际速度快速平稳地达到所设定的目标值。同时plc通过485串口连接到np801模块，将485串口通信模式转换为以太网模式，再通过以太网交换机与上位机进行连接，实现基于以太网的远程通信。2.2 系统硬件设计本系统硬件主要包括plc、变频器、d/a模块、旋转编码器、通讯扩展板、和以太网接口模块等。本系统以三菱fx3u系列plc作为核心处理器，可利用gx-developer作为编程软件，把程序写入至plc中实现在线监控，另外配合仿真软件gx simulator可实现仿真调试功能，对所编程序进行运行监视。系统采用旋转编码器采集电机运行时对应的输出脉冲，对电机进行双相双计数，有效地减少了编码器随电机旋转震动时带来的误差。本系统监控的速度范围0r/min1390r/min，速度值显示的精度为0.1r/min。以下是各主要硬件的功能：（1） fx3u系列plcfx3u系列plc是整个系统的核心处理器,plc首先把通过编码器测到的实际速度对应的脉冲与预先设定的速度对应的脉冲比较并经pid进行运算，如果大于或小于预先设置值,就输出信号控制变频器,从而改变变频器的频率来实现对电机的速度控制.fx3u plc还负责与上位机进行远程通信,上位机通过组态软件来改变本系统的比例系数p、积分时间i、微分时间d，并通过以太网将设定合适的参数送至plc，使得电机速度能快速地达到所设定的目标值。（2） 旋转编码器本系统采用pg参数为1200p/r的旋转编码器，即电机每运行一圈编码器输出1200个脉冲。用plc的高速计数器c251对编码器进行双相计数，即当电机开始运行时，c251对输入x0(a相)、x1（b相）的动作计数，并将数据送至plc的数据寄存器，作为反馈值储存下来。本系统采用的计数方法，大大地减少了编码器在电机运行时带来的计数误差，提高了系统的抗干扰性。其与plc连接电路图如下所示：fx3u 0v24vx0x1 pg 图2.2 旋转编码器与plc接线图（3） 以太网接口模块系统的以太网功能是通过np801模块实现的。np801是深圳高胜科技公司开发的一款工业级串口转以太网设备。其内部集成了tcp/ip协议，配有32位arm处理器和10m以太网接口，支持rs-485/422/232接口，支持动态或静态获取ip地址，有tcp server，tcp client和udp等多种工作方式。由于 np801以太网模块能够实现串口设备和以太网设备之间数据的透明传输,利用它可以轻松完成嵌入式设备的网络功能。np801模块的波特率、开始位、停止位以及工作方式通过配置软件来设计。在本系统中，设置其波特率为 9600bps, 开始位为 1 位, 停止位为 1 位, 工作方式为 tcp server，采用485串口与以太网模块连接，接口电路图如下： fx3u-485bd r+ s+ gnd np801rs485+rs485-gnd 图2.3 fx3u plc与np801接口电路图3 监控系统软件设计3.1 np801以太网模块的使用在使用以太网模块 np801之前，应当按照要求对模块进行软件配置。主要工作有配置模块的 ip 地址，模块的子网掩码，模块网关和串行接口的波特率、奇偶校验等参数，配置完成后模块即可使用。串口服务器接通电源后，电源指示灯power点亮，说明电源正确接通，串口服务器工作正常。当网络中有数据包接收时，电源指示灯灯rxd开始闪亮；当网络中有数据包发送时，电源指示灯灯txd开始闪亮。连接过程至此完成，表明串口服务器与网络顺利连通。 根据系统监控的要求，设定本系统与以太网之间通信协议如下： 图3.1 以太网通信协议参数设置3.2 系统软件程序设计系统采用fx3u plc作为核心处理器，把由编码器现场实时采集到的速度脉冲数据经处理后存入plc 的内部数据存储器，送上位pc机显示，并与预先设定值进行比较,然后由plc输出信号去控制变频器。进行速度控制程序的设计时应考虑如下几个问题：采样时间，a/d模块的校验，速度值的显示，比例、微积分时间的整定，与上位pc机通信程序等。fx3u plc具体软件主程序流程图如下所示： 是发送速度值至np801返回发送速度值至np801是否达到目标值是发送速度值至np801达到满意的响应整定积分时间i值否误差是否满足要求否整定比例系数p值读取速度脉冲plc循环扫描开始 图3.2 主程序设计流程图当速度反馈值不能快速稳定地达到设定的目标值时，需进行pid参数的整定，整定的步骤如下：（1） 整定比例控制:将比列控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调量小的响应曲线。（2） 整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将第一步骤中选择的比例系数减小为原来的50%80%，再将积分时间设置一个较大值，观测响应曲线。然后减小微分时间，加大微分作用，并相应调整比例系数，反复试凑直至得到较满意的相应，确定比例和微分的参数。（3） 整定微分环节:若经过第二步骤，pi控制只能消除稳态误差，而动态过程仍不能令人满意，则应加入微分控制。先置微分时间为零，逐渐加大微分时间，同时相应地改变比例系数和微分时间，反复试凑至获得满意的控制效果。3.3 远程监控端组态设计远程监控端采用三维力控组态软件来实现，下位机采用plc对控制对象进行控制，上位机采用安装了组态软件的计算机进行监控。组态软件主要由数据库组态和io设备组态构成，数据库组态用于与plc建立数据链接，io设备组态则设定设备地址、通信方式及所使用的串口参数设置等。力控组态软件提供了一个良好的界面,使操作人员能通过界面上的数据表方便地观测各远程监测点的工作状态,通过菜单对全系统进行有效的维护。本系统组态画面设计如下所示：图3.3 系统实时组态画面图4 系统调试通过本次速度监控系统的设计调试，我获益良多。在设计调试过程，一定要保持耐心，设计的程序要反复地进行修改调试，整定参数、排除干扰，直至得出理想的结果；同时，在调试过程中也不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系实际和理论知识积极地思考，实在解决不了可以向购买厂家咨询。虽然在此过程中遇到了不少难题，但最后在同事的帮助和自己的努力下，我圆满地解决了这些问题，完成了系统的设计与最后的调试，获得了满意的结果。以下是我在调试过程中遇到的一些问题：（1） d/a模块输入数字量和输出模拟量不成比例关系 设计程序将k1写入bfm#20，将模块进行初始化，恢复出厂值。（2） 编码器计数不准确，偏差过大编码器随电机转轴震动影响了计数脉冲，采用双相计数的方式，减小干扰。（3） 进行远程监控时，用netport软件无法搜索到设备关闭电脑防火墙，将设备扫描周期时间调长，即可搜索到设备。（4） 组态软件与plc通信模块连接不上串口参数设置不一致，重新设置参数，并将plc断电后重新上电，即可进行通信。5 系统应用目前，远程监控在起重机管理中亦起到越来越重要的作用。如在港口码头场合中，各起重设备是分期分批逐步购置的，品牌和自动化程度各不相同。在此形势下，将港口内不同厂家、不同品牌的起重设备的控制系统联网进行远程集中监控，是提高设备利用率、增加作业量、完善企业管理的重要手段之一。在争分夺秒的港口装卸作业过程中，一旦某个起重设备发生故障，就需要尽早知道故障发生的原因、故障点在哪里？利用远程监控技术，能使设备维修人员在故障发生的第一时间了解故障信息，从而大大节省查找故障的时间，及时修复设备。远程监控可通过对各个起重设备电控系统的工作电压、电流、频率、速度、负载、功率和温度等参数的分析，对plc输入输出模块各点的检测，实现对各起重设备机构的实时监控。通过远程监控，可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，使技术人员可以方便地监视远程设备的状态，并通过远程修改plc程序控制设备的运行，大大缩短设备因技术问题而造成的停机时间，有效地维护设备的正