基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计.pdf

2023年第1期 安徽电子信息职业技术学院学报 No.l 2023第22卷(总第 12锄)JOURNAL OF AMUIVOCAHOim COLLEGE OF ELECTRONICS&INFORMATION TECfflTOLOCY Sum No.124 Vol.22文章编号1671-802X(2023)01-0018-05基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计张留忠(安徽电子信息职业技术学院电子工程学院，安徽蚌埠233030)摘 要：以工业物联网技术和PLC控制技术为核心，基于物联网网关、PLC控制器、MCGS触摸屏 和远程客户端的互联互通，设计了一种三相交流异步电动机PID变频调速远程控制系统。实践表明，系 统可以准确、稳定地远程调控电动机，广泛应用于温度、压力、流速、流量、压差等工业控制场合。关键词：工业物联网；PID；PLC中图法分类号：TP278 文献标志码:ADesign of Remote Control S ystem Based on Industrial Internet of Things and PLCZhang Liuzhong(School of Electronic Engineering,Anhui Vocational College of Electronics&Information Technology,Bengbu 233030,China)Abstract:Taking the industrial Internet of Things technology and PLC control technology as the core,based on the interconnection of the Internet of Things gateway,PLC controller,MCGS touch screen and remote client,a three-phase AC asynchronous motor PID variable frequency speed remote control system is designed.The practice shows that the system can realize the accurate and stable remote monitoring of the asynchronous motor and be applied to the remote monitoring of temperature pressure rate of flow velocity of flow and differential pressure and so on.Key words:industrial Internet of Things;PID;PLC1引言信息化和工业化融合(简称“两化融合”)以及 工业4.0都强调新一代信息技术在工业控制领域的 综合应用,为实现“中国制造2025”工业自动化、智 能化提供坚强有力的保障叫随着“两化融合”的深 度发展，基于工业物联网和PLC技术实现电动机变 频调速控制的技术，已经不断融入传统工业领域的 各个环节，把工业物联网网关IIoT与电动机相结 合,搭建电动机变频调速远程监控系统，对以工业物 联网为载体实现现场工业设备与云端数据交互通 信、实现“物与物”的互联互通都具有较高的应用价 值，同时，有利于推动企业生产提质、增效、降成本,*收稿日期:2022-12-18作者简介:张留忠(1980-),男，安徽阜阳人，高级实验师，研究方向:工业自动化控制系统。基金项目：2021年省级质量工程教学研究项目“基于OBE的虚拟仪器技术课程教学改革研究与实施(2021jyxm0108)；2021年校级教研项目 职业教育信息化2.0背景下LabVIEW实训课程开发与实施(2021AHDZZJ08);2020年安徽省级质量工程重点教学研究项目岗 课证赛”融合的物联网应用技术专业课程改革探索与实ffi(2020jyxm0126)Y 2023-03-20张留忠*基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计第1期助推企业数字化、网络化、智能化加速转型X】。2系统硬件设计2.1系统结构框图系统以工业物联网技术和PLC控制技术为核 心，基于云的工业物联网体系架构冈,构建了 PID变 频调速远程监控系统，系统由PLC控制器、MM420 变频器、MCGS触摸屏、三相交流异步电动机、工业 物联网网关IIoT和EMCP物联网云平台等部分组 成,实现从设备层、网关层到服务层“一网到底”的 无缝系统集成，系统结构如图1所示。EMCP物联网云平台远程电脑 客户端远程移动 客户端物联网网关|GM20-DTURS485PLC S7-200 CPU224XP CN|信号隔离器RS232图1 PID变频调速远程监控系统结构框图D/A|电动机|:服务层；节网关层；*-设备层!|物联网网关与PLC控制器、MCGS触摸屏、远 程客户端互通互联,采用RTU模式Modbus通信协 议对PLC发送远程控制指令，实时采集PLC变量参 数，通过互联网传输到EMCP物联网云平台，实现客户远程控制三相交流异步电动机回。系统选用PLC控制器接收底层数据，监控电动 机运行状态,MCGS触摸屏和远程客户端提供频率给 定值sp（i）,MM420变频器提供频率反馈值pv（,依 次经过模-数转换器（A/D）转换成数字量sp（和 pv（送入PLC求出偏差e何，再把PID控制器运算 结果M（送入数-模转换器（D/A）转换成M（即模 拟直流电压U）U）,通过MM420变频器不断调节电动 机实际频率/等于或跟随频率给定值，实现电动机 PID线性0闭环变频调速，其中sp（）、pv（）、M、c（）均为单极性模拟量,sp（、pv（、e（）、M（zi）均为数字 量。图中虚线框的A/D转换由PLC控制程序实现。2.2 PLC控制系统硬件及接线PLC控制器型号为S7-200CPU224XP,集成24 个数字量1/0.2个模拟量输入通道A+、B+和1个 模拟量输出通道V。选配西门子MM420变频器，采 用0工作模式和I/O硬接线方式，控制系统硬件接 线如图2所示。MM420设置P0701二1,数字量输入端DIN1、24V分别与PLC数字量输出端Q0.0、公共端1L连 接,实现电动机正转启动/停止。MM420 设置 P1000二2、P1080二0 和 P1082二50,模拟量输出端A0UT+和A0UT-输出0 20 mA电 流，经过CHG系列信号转换器转换成0 10 V电 压，送入PLC输入通道A+和M,输出通道V和M 与变频器AIN+和AIN-相连,实现实时反馈电动机 的实际运行频率国。系统中采用的YS5024型电动机额定电流参 数:星型接法为0.39 A,三角型接法为0.66 A。图2 PLC控制系统硬件接线图2023-03-20XUEBAO豳63國屈張留忠*基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计第1期2.3工业物联网网关通信配置工业物联网网关(GM20-DTU)通过RTU模式 Modbus通信协议，实现PLC控制器、MCGS触摸屏、远程客户端之间数据互联互通;可以通过远程客户 端登录EMCP物联网云平台，完成GM20-DTU.PLC 和MCGS远程串行通信配置叫进行远程程序下载、调试和监测，从而最终实现远程移动客户端、远程 电脑客户端和MCGS触摸屏监控电动机的目的。在 工业物联网网关编辑页面，开启离线或断电报警功 能，当网关出现离线情况下，自动推送报警消息，生 成报警记录。3系统软件设计系统软件设计部分重点是GM20-DTU如何通 过RTU模式Modbus通信协议，实现PLC控制器、MCGS和远程客户端联网联机，实现参数设定与显 示、实时与历史趋势记录、启动与停止等功能。把PLC作为从站监控现场层设备,MBUS_INIT 指令执行启用(初始化)或禁止从站操作,Mode设为 1,实现PLC串口 protO与GM20-DTU模块之间的数 据通信。HoldStar 设为 VB100,MaxHold 设为00,即保持寄存器区从VB100开始,保持寄存器通信 缓冲区占用VB100 VB300o PLC控制程序寄存器 地址从VB300开始使用，与Modbus功能块占用地 址不重叠。Modbus从站通信正常，则 MBUS_SLAVE指令“Error”输出为0,否则输出相 应的错误代码。中断程序主要处理频率给定值、频率反馈值和 输出控制值。可以根据控制需求，在MCGS和远程 客户端输入模拟频率值050Hz。频率给定值通过 MCGS的通道变量“设备0_读写VWUB130”和 EMCP物联网云平台功能码“06：写单个寄存器”直 接送入VW130寄存器中，再经过图3(a)程序完成 模拟信号变换和整定,所得数字量存入变量寄存器 VW200o(a)MCGS和远程客户端频率给定值转换(b)给定频率PID标定图3 PLC控制程序设计X UEBAO20230320张留忠*基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计第1期频率反馈值送入PLC输入通道A+完成A/D 转换,所得数字量存放在输入寄存器AIWO中。使用 的定时中断号为0,事件号为10,并写入SMB34,每 100 ms循环读取VW200和AIWO中的数字量分别 与32000做除法运算，所得结果与实数50相乘转 换成050 Hz频率值，送入上位机显示频率设定值 和频率反馈值，如图3（b）所示;该频率值再与实数 1相乘,转成0 1.0之间的实数填入回路表,进行 数据比较，所得偏差e何进行PID运算，得到的标准 化回路输出计算值与32000相乘，写入模拟量输出 寄存器AQWO,经D/A转换成010 V电压信号送 至变频器，实现电动机工作频率/跟随010 V在 0 50 Hz之间闭环变频调速运行。4系统联机调试基于工业物联网的三相交流异步电动机远程 控制系统实物，如图4所示。首先进行PID参数整 定，下载PLC控制程序和MCGS组态工程程序，启 动控制系统，点击STEP7程序状态监控，打开PID 调节控制面板，设置频率给定值20Hz,采用试凑法 进行PID参数整定，得到最优参数值增益 0.342815、积分时间0.055333 s、微分时间Os、采样 时间Is。使用MCGS、PC机或手机设置给定频率从20 Hz增大到40 Hz,PLC的I/O模块输出电压从3.9 V 增大到7.98V,MM420的AIN+、AIN-输入端电压 也跟随改变,MCSG触摸屏（图5）、PC客户端浏览器（图6）和手机客户端（图7）显示电动机实际频率均 为 40.025 Hzo图4基于工业物联网的电动机远程监控系统实物图图5 MCGS监控画面 0 应到网络|0|3 EMCPtt)联网芦台 3 电SmPIDSKWES X+一 口 X C O ID 不安全 I Q.區百度&n j C=毓机PID娈頻谓速远血|妙|实时数塀 z.数痢乌 a历史购物联网云平台 堑设备监控|畠设备地图 毋后台営理 0 2 zhangliuzho.2021-01-1116:42X)9|眩轴B|s-2021-01-1116:42:09|ass 2021-01-111&42M给定频率值Wv 40.000 Hz2021-01-H 1M2K4F ON40 0252021-01-1116:42:10图6 PC客户端监控画面经过反复实践验证,系统运行稳定，可以实现 本地MCGS触摸屏、远程移动客户端和远程电脑客 户端控制三相交流异步电动机的变频调速运行。5结语以工业生产领域广泛使用的三相交流异步电 动机为研究对象，把新一代信息技术工业物联网网 2023-03-20 丄 UL 2樹E3园El张留忠*基于工业物联网和PLC的远程控制系统设计第1期关远程采集传输技术与PLC自动化控制技术深度 融合,实现快速搭建三相交流异步电动机PID变频 调速远程控制系统，并给出系统软硬件设计方案；经验证，该系统运行可靠。该系统