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摘要： 针对传统变频调速系统无法远程监控， 发生故障报警不能实时提醒 、及时处理的缺点， 设计了工业互联网变频调速远程监控 系统。 系统选用三菱 FX5U PLC 通过 Modbus RTU 方式实现与三菱 E740 变频器本地通讯传输数据， 本地部署驿唐工业联网宝网关并 设置相应网络参数， PLC 与三菱 GS2107 触摸屏以太网端 口连接网关组成局域网， 实现本地调试监控和人机交互功能。远程监控功 能使用 iGateCfg 工程配置软件设置云平台连接设备的品牌型号 、通讯方式 、IP 地址和通讯端 口， 编辑采集数据的变量名称 、地址和 数据类型， 上传驿唐工业互联网云平台; WEB 页登录云平台进行项目配置和云组态设计， 实现设备监控、数据监控、报警监控等功 能。通过搭建实验平台， 设计并实现了电脑端 WEB 页和移动端 App 远程监控功能， 故障报警实时短信提醒， 提高了系统的稳定性， 减少了运维成本。此外， 使用驿唐科技的网 口通软件， 设置虚拟网 口 IP 地址， 可实现 PLC 控制程序的远程更新下载和运行调试。
关键词： 工业互联网,Modbus RTU 通信,变频调速,远程监控
Design of Remote Monitoring of Variable Frequency Speed ControlSystem Based on FX5U PLC and Industrial Internet
Song Lijing， Huang Xiaowei， Zhang Chengquan， Zhang Zheng， Zhang Huan
(School of Mechanical and Electrical，Changzhou Vocational Institute of Textile and Garment，Changzhou，Jiangsu 213164.China ) Abstract：Aiming at the shortcomings of traditional frequency conversion speed regulation system，which can not monitor and control remotely，and can not timely remind and deal with fault alarm，a frequency conversion speed regulation remote monitoring system for Industrial Internetwas designed.The system adopted Mitsubishi FX5U PLC to realize the local communication and transmission of data with Mitsubishi E740 inverter through Modbus RTU mode，PLC and Mitsubishi GS2107 touch screen Ethernet port connect to form a local area network，to achieve local debugging and monitoring and human -computer interaction functions. The remote monitoring function used the iGateCfg project configuration software to set the brand model，communication mode，IP address and communication port of the cloud platform connection device，edited the variable name，address and data type of the collected data，and upload them to the Yitang Industrial Internet Cloud Platform.On the WEB page，log ined to the cloud platform for project configuration and cloud configuration design，and realized equipment monitoring，data monitoring，alarm monitoring and other functions.By building the experimental platform，the remote monitoring function of the computer side WEB page and mobile side App，and real-time SMS alert for fault alarm were designed and realized，which improved the stability of the system and reduced the operation and maintenance costs.In addition，the remote updating，downloading，running and debugging of PLC control program could be realized by using the Internet port communication software of Yitang Technology and setting the virtual Internet port IP address.
Key words：Industrial Internet;Modbus RTU Communication;frequency conversion speed regulation;remote monitoring
0 引言
变频调 速 系 统 具 有 操 作 简 单 、维 修 便 利 等 优 势，广泛 应 用 在 冶 金 、石 油 、化 工 、纺 织 、建 材 、煤 炭、污水处理等行业[1-3]， 但由于现场工作环境及人力成本等因素限制， 很难做到专人值守实时监控变频器及电 机的运行状况， 也不利于多台多地变频器的调试和集 中监控 。针对上述问题， 本文设计了基于 FX5U PLC 和 工业互联网变频调速远程监控系统设计， 通过本地部 署驿唐科技工业联网宝网关 ( 以下简称联网宝)， 监控 PLC 通过 Modbus RTU 通信采集的变频器运行数据， 上传驿唐联网宝工业互联网 云 平 台 ( 以 下 简 称 云 平 台) 进行组态设计 、数据处理和工业 App 发布， 实现电脑 端和移动端远程监控变频器运行数据和参数修改等功 能， 故障报警短信及时发布 、实时提醒并能远程处理， 提高了系统的 稳 定 性， 减 少 了 运 维 成 本 。此 外， 使 用 驿唐科技的网口通软件， 设置虚拟网 口 IP 地址， 即可 实现 PLC 控制程序的远程更新下载和运行调试 。在当 下各地新冠疫情频发， 导致工程技术人员无法抵达现 场进行设备调试， 足不出户的远程调试功能就显得尤 为重要 。
1 系统整体设计
控制系统主要由三菱 FX5U PLC ( 以下简称 PLC) 、 E740 变频器 (以下简称变频器) 、GS2107 触摸屏 ( 以下 简称触摸屏) 和联网宝 502pro 、云平台等组成， 如图 1 所示。PLC 通过 485 串 口 Modbus RTU 通信与变频器连 接， 监控变频器的运行数据; PLC 和触摸屏连接联网宝 网口实现以太网通信， 一方面通过程序运行和数据监控 实现本地人机交互功能， 另一方面通过 MQTT 协议与云 平台通信， 实现数据上云， 电脑端进行云端组态设计、 数据汇总交互 、报警设置 、故障诊断与运维管理等操作， 移动终端通过工业物联网服务平台中的工业云 App 可远 程监控运行数据。
2 基于 Modbus RTU 协议的本地监控系统设计
在工业控制领域中， Modbus 协议是应用于控制器上 的一种通用语言， 是一种串行的 、非同步的主从通信协 议， 网络中只有一个设备能够建立协议， 其他的设备只能通过提供数据响应主机的查询， 或根据查询做出相应 的动作[4-7] 。ModBus 协议定义了主机查询的格式， 其包括： 主从机的编址方法 ( 或广播)， 要求动作的功能代 码， 传输数据和错误校验等， 如不能完成主机要求的动 作， 它将组织一个故障作为响应。典型的 ModBus 协议 包 括 ASCII 、 RTU 、 PLUS 、 TCP/IP 等 通 信 模 式， 其 ModBus RTU 应用最为广泛， 因为表达相同的信息需要较 少的位数， 且相同通信速率下具有更大的数据流量[5] 。 因此在本系统中， PLC 通过 Modbus RTU 协议与变频器通 信， 实现电动机的正反转控制和变频调速， 通过触摸屏 可进行参数设置和调试监控， 实现本地控制功能， 物理接口采用 RS485 。
2.1 PLC 与变频器 Modbus RTU 通信连接与参数设置
变频器串行通信 PU 接口为 RJ45 形式， 可使用网线 制作通信电缆。一端为 RJ45 与变频器 PU 接口连接， 采 用 568B 标准的网络线， 其通信接口的插针编号和功能内容如图 2 所示。另一端与 PLC 的 485 串 口连接， 对应的 端子功能和连接要求如表 1 所示。
设置变频器通信参数， PLC 为 Modbus RTU 主站， 变频器为从站。 从站地址 P117 设置为 1. 通讯波特率 P118为 19.2 Kb/s， 通信停止位长 P119 为 10： 停止位长为 1.数据位长为 7 位， 通信奇偶校验 P120 为 2： 偶校验， 通信 启动模式选择 P340 为 10： 网络运行模式， 协议选择 P549 为 1： Modbus RTU 协议。设置完成后需要断电重启变频器， 控制面板工作模式指示灯 NET 亮， 参数设置完成。
2.2 PLC 模块参数设置与程序设计
打开 GX Works3 编程软件， 新建 FX5U 工程项 目，依次打开设备树—参数—FX5UCPU—模块参数。 在以太网端口模块中， 设置 PLC 的 IP 地址为 192.168.10.250. 子网掩码为 255.255.255.0; 在对象设备连接设置配置中， 打开以太网设备 (通用)， 添加 SLMP 连接设备至网 络示意图中， 协议方式选择 TCP， 端口号设为 5001. 点 击反映设置并关闭保存设置; 在 485 串 口模块中， 选择协议格式为 Modbus RTU 通信， 设置奇偶校验为偶校验，停止位为 1 位， 波特率为 19.2 Kb/s 。
利用 FX5U MODBUS RTU 指令 ADPRW 实现 PLC 主 站对变频器从站读写数据通信。详细的程序设计和功能 介绍如图 3 所示， 该程序实现了 MODBUS RTU 通讯控制 变频器启停 、正反转和运行频率的功能， 同时能实时监 视变频器实时的运行频率 、电流电压以及正反转等运行 状态。
2.3 触摸屏界面设置与设计
打开 GT Designer3. 建立新工程， 触摸屏的型号选择为 “GS21 系列”， 制造商选择 “三菱电机”， 机种选择 “MELSEC iQ-F”， 连接 I/F 选择 “以太网： 多 CPU连接对应”， 通 讯 驱 动 程 序 设 置 为 “以 太 网 ( 三 菱 电机)， 网关”， 触 摸 屏 IP 地 址 设 置 为 192.168.10.18 。
在连接机器设置中设置通道 CH1 参数， GOT 机器通讯用 端口号为 “5001”， 此端口号必须与 PLC 中 SLMP 设备端口号相同; 以太网连接机器设置中， 将机器 FX5CPU 的IP 地址设置为 192.168.10.250. 此地址必须与 PLC 的以太网地址相同， 如图 4 所示。软件设置完成后， 触摸屏 断电重启， 长按触摸屏左上角白色屏幕与黑色边框直角位置结合处， 进入应用程序主菜单中的连接设备设置页面， 将触摸屏 IP 地址修改为 192.168.10.18. 必须与软件地址相同。
制作触摸屏监控界面。该界面由文本 、指示灯 、按 钮 、数值显示 、数值输入等构件组成， 根据表 2 所示关 联触摸屏构件与 PLC 程序软元件， 设置显示格式及文本 样式并进行 调 试， 可 实 现 本 地 人 机 交 互 功 能， 如 图 5 所示。
3 联网宝数据上云本地配置
3.1 联网宝 502pro 网关功能及组成
本系统选用工业网关联网宝的型号为 502 pro， 它配有一个 RJ-45 LAN 口， 一个 WAN/LAN 口， RS232 和 RS -485 串口各一个， 网口和串口可以同时使用， 为具备 RJ-45 网 口 、RS232 或 RS485 的 PLC 、触摸屏等产品提供 远程下载程序和远程数据采集功能。支持三大运营商的 全部网络制式， 支持 4G 、3G 或 2G 网络， 无线 、有线、 WiFi 全网通用。使用方便， 可通过配置软件进行采集变 量的本地配置， 使用配置软件可方便的与 PLC 编程软件 集成， 进行程序的远程上传和下载操作， 无需额外的集成开发工作。
3.2 联网宝网关配置
用网线连接电脑和联网宝 LAN2 口， 打开网页输入网关 IP 地址 192.168.10.1. 在登录界面输入默认用户名root， 密码 1234. 进入网关设置界面。首先， 进行网络 设置使用其 WiFi 上网功能， 搜索并选择 WiFi 输入密码， 其他设置采用默认， 设置完成后断电重启。重启后， 再 次进入网关其当前连接状态显示： WiFi 已连接到网络， 显示 IP 地址; 已连接到联网宝工业云平台; 网口通已连接， 表示全部网络连接正确。
3.3 工程配置软件采集变量设置
打开 iGateCfg 工程配置软件， 按图 6 所示步骤操作。
(1) 新建项 目， 输 入 联 网 宝 网 关 BOX 型 号 和 序 列 号;
(2) 在 LAN 口下添加三菱 FX5U 设备; (3 ) 设备品牌 选择三菱， 设备型号选择 FX5U， 设 备 IP 地 址 设 置 为 192.168.10.250. 设备端口为 5001; (4) 在变量编辑区域， 添加数据监控变量; (5) 对变频器的频率设定 、频 率监控和输出电流 、输出电压数据进行线性换算， 对报 警变量进行设置; (6) 点击上传至云端按键将工程上传 云平台; (7) 点击进入平台按键， 可进入工作互联网云 平台进行监控设计。
其中， 第 (5) 步的具体设置以输出电流为例， 变频器采集的电流数据单位为 0.01 A， 因此需要将 0 ~ 1 000整数型的采集数值线性变换为 0 ~ 10.00 的浮点型数值，如图 7 所示; 在报警配置中， 系统默认 BOX 离线和 PLC离线为一般性报警; 添加自定义报警规则， 当输出电流 大于设定的数值时， 如图 8 所示， 会向推送分组人员手 机和 App 发出报警短信， 提醒其及时维护或排除故障。
4 云平台组态设计远程监控变频系统
4.1 驿唐云平台
工业互联网是我国推动传统制造业转型升级的重要手段， 可助力智能制造目标实现， 工业互联网已逐步服务制造业升级转型[8-10] 。边缘端联网宝工业网关通过串 口 、网 口 或 USB 口 与 设 备 物 理 连 接， 然 后 通 过 4G、 WiFi 、有线等上网方式连到工业云平台; 联网宝内置设 备通信协议， 通过预先设置的变量列表周期性的采集设 备数据， 然后上传到云平台。该平台是一款基于 WEB 端 的工业级云平台， 在 WEB 网页端通过组态画面展示设备 实时数据 、故障报警 、趋势曲线等; 也支持手机 App 监 控数据 、报警信息等; 同时支持 API 开发获取工业云平台数据。
4.2 云平台组态设计
首先， 登录联网宝工业云平台， 在项目中心/项目配 置/BOX 管理页面中对联网宝设备进行绑定操作。绑定 完成后， 即可在项目中心/数据监控/实时数据中实时监 控 iGateCfg 软件中配置并上传云平台的数据变量， 确保 云端能进行数据监控， 并能远程控制变频器的运行。然 后， 在项目中心/设备监控中编辑组态， 新建画面进入云 组态编辑页面， 在画面选择栏目中勾选起始画面 、手机 端和集中控制， 画面设置为屏幕适应方式， 添加相应文 本框并编辑文本内容; 添加变频器正转 、反转和停止 3个按钮; 添加正转和反转 2 个运行指示灯; 添加频率设 定 、频率监控 、输出电流和输出电压 4 个变量值显示输 入框; 在各构件动态属性中进行实时数据变量连接。云 组态完成后点击保存， 即可进行电脑端 WEB 页和移动端 工业 App 的发布。
5 实践情况分析
电脑端和移动端远程监控变频器运行， 设定工作频率 15.3 Hz， 分别测试正转 、反转和停止功能。在不同时段的运行状态和数据采集显示如图 9 所示， 由于电动机 外部负载的轻微变化， 输出电流和输出电压略微有差异， 体现了数据监控的实时性和真实性。当变频器输出电流 超过报警规则设定的数值时， 云平台会实时地向推送分 组人员分别以手机短消息的形式和在云平台 App 上发出 报警提醒消息。经过实验平台的测试， 该系统达到了设 计要求， 同时在实验室开展的实践教学中， 经过项目简 单复制实现了 20 台套变频调速系统的工业互联网远程集 中监控。
6 结束语
本设计使用驿唐联网宝和联网宝工业云平台， 以三 菱 FX5U PLC 为控制器， 设计了基于 Modbus RTU 协议的 变频调速远程监控系统， 配置了 PLC 、变频器 、触摸屏 和联网宝的通讯参数和 IP 地址及通讯端 口， 并设计了 PLC 程序和三菱触摸屏界面， 完成了控制系统的本地调试和监控。通过配置软件实现了数据上云和数据监控，在云平台上完成了云组态监控界面的设计， 在电脑端 WEB 页和移动端 App 同时发布， 并成功拓展为多台变频 调速远程集中监控运维系统， 降低了企业调试和维护成 本， 及时快速地处置报警信息， 具有很强的实用价值。
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