故障自动同步输出频率切换供电系统研制

0引言

专用供电系统是驱动专用设备稳定运行的重要保证。为了验证专用设备的失效率,需要分别对两组专用设备在不同频率下进行长期考核,通过在不同频率对专用设备的长期考核测试试验,计算每组专用设备损机率,以推断验证专用设备的失效率。因此,为保证试验的长期稳定运行,需要研制一套故障自动同步频率切换专用供电系统。

1 系统总体概况

专用供电系统由四台变频器及一台切换柜组成,切换柜和变频器均为自研产品。其中,切换柜采用西门子1200系列PLC作为控制核心,控制接触器通断实现回路的切换。变频器采用TI公司DSP28335作为核心控制芯片,搭配西门子1200 PLC及昆仑通泰(MCGS)触摸屏实现数据交互及远控功能,在触摸屏上设置目标频率,通过面板“跳频”按钮实现输出频率变化。其中两台变频器作为工作变频器分别带一路负载,其余两台变频器为备用、检修变频器,实现系统冗余功能,当任意一台或两台工作变频器故障,可以及时同步输出频率将故障回路切至待机状态下备用变频器、检修变频器回路继续试验。

2故障自动同步输出频率切换功能设计

为提高供电系统可靠性,完成专用设备在不同频率下长期考核对比试验,系统设计为“两工作一备用一检修”的冗余控制方式。

当工作变频器发生故障会自动同步输出频率,将回路切换至备用变频器或检修变频器。当工作变频器在运行中发生故障停机后,将故障标志位置“1”;由于故障切换需要约10 s,为避免在10 s内两台工作变频器均故障发生切换冲突,因此两台工作变频器分别设置故障标志位来区分故障先后时间,按故障标志位先置1且“先备用后检修”顺序寻找待机变频器进行故障自动同步频率切换。以备用变频器待机为例,将故障前工作运行频率发送到备用变频器触摸屏进行频率设置,触摸屏判断接收正确后给备用变频器发送“跳频”命令,判断备用变频器与故障前工作变频器运行频率一致后(即“跳频”成功),发送启动备用变频器命令,同时接通备用变频器带故障工作变频器负载回路,通过对接触器反馈状态信号判断回路正确接通后清除故障标志位。切换流程如图1所示。

3 通信设计

3.1 系统结构设计

该系统通信架构如图2所示,通信主体包括西门子PLC1200、MCGS触摸屏、DSP28335以及交换机,采用Modbus—RTU以及Modbus—TCP两种通信协议。

在切换柜中1200 PLC是整个系统的控制核心,作为以太网通信主站^[1],分别与每台变频器触摸屏通信,完成与各个变频器的运行频率、速率等信息数据交互;以及与每台变频器PLC1200进行通信,在变频器远控状态下控制变频器的启停及频率跳变等功能;同时,与切换柜触摸屏通信,进行运行参数和状态显示。

在变频器中,DSP28335作为变频器核心控制器,除对整流单元、逆变器单元进行控制之外,通过 Modbus—RTU通信协议,与变频器触摸屏进行数据实时通信。该协议采用CRC校验保证通信数据的准确性,可以实时准确地接收与发送变频器设置频率、速率及实时频率、速率等参数及部分控制命令,实现变频器触摸屏及变频器核心控制器DSP28335之间的数据实时交互;变频器西门子PLC1200以干接点方式通过I/O将变频器面板控制按钮信号传递给变频器核心控制器DSP28335,进行信号隔离,并接收变频器的运行状态;同时,变频器PLC1200基于以太网通信与变频器触摸屏通信接收变频器设置频率及运行频率等参数,并向触摸屏发送远控“跳频”命令;且变频器西门子PLC通过基于以太网通信的PROFINET协议实现与控制柜1200 PLC之间的数据通信,实现在变频器远控状态下启停等功能,并接收变频器的运行状态;MCGS触摸屏作为人机交互界面,可实现变频器的运行参数显示、设置频率设定并通过界面“跳频”按钮调整输出频率。

3.2触摸屏与DSP28335间通信

触摸屏作为人机交互界面,需要将设置频率及“跳频”命令等参数与命令发送至DSP,同时接收变频器的运行频率等参数进行显示。因此,稳定安全的通信协议是触摸屏与DSP28335间数据交互的关键。Modbus协议可以使用RS232、RS422、RS485串口作为物理接口。Modbus通信使用Master—Slave(主—从)方式,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询),其他设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应^[2],如图3所示。

本系统采用RS232通信Modbus协议的RTU模式,实现变频器核心控制器DSP28335与触摸屏之间的数据交互,其消息帧如表1所示。

为了保证发送与接收数据的一致性及安全性, DSP28335和触摸屏能建立通信的前提是二者生成的循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)码完全一致,即认为校验通过,在通信过程中没有产生错误^[3]。

通过MCGS脚本开发软件,根据DSP的通信方式与功能需求,使用脚本编辑器编写专门的通信驱动程序,完成设备组态,建立触摸屏与DSP的数据通道连接,设置触摸屏的内部变量,使之与DSP的各项参数建立对应关系,实现触摸屏与DSP的通信,完成数据交换。

3.3触摸屏与PLC的通信

西门子S7—1200 PLC组件包括数字量输入模块(DI)、数字量输出模块(DQ)及模拟量输入模块,具有处理速度快、通信能力强等优点,可满足长期可靠工作的需求,实现控制变频器启停、回路通断及数据采集等功能。

在触摸屏中选择西门子1200系列对应的驱动程序,通过Modbus—TCP协议与PLC建立通信,触摸屏根据PLC分配的通信数据块的地址及变量类型,将 PLC采集的信号变量与触摸屏设置的内部变量一一对应,完成数据交换。

4 试验

模拟试验运行状态,手动设置两台工作变频器的运行频率及备用变频器和检修变频器的设置频率,两台工作变频器的运行频率均不相同,且备用变频器与检修变频器设置频率与两台工作变频器的运行频率均不相同。

通过表2可以看出,当工作变频器故障后能够自动将故障前运行频率发送到备用或检修的设置频率,并自动“跳频”,使备用或检修运行频率与故障工作变频器运行频率一致,回路切换正确。

5 结束语

通过对该系统通信架构的设计,基于Modbus— RTU和Modbus—TCP通信,对通信协议进行开发,实现了供电系统各个数据的实时交互,及在远控状态下控制变频器启停及“跳频”等功能;通过对PLC程序的编写,供电系统能够按照工作变频器故障先切换备用变频器后切换检修变频器的故障切换顺序切换,且工作变频器故障前运行频率能够自动发送至备用变频器或检修变频器并自动实现“跳频”回路切换,实现了故障自动同步输出频率切换的功能。

[参考文献]

[1] 张跟华.西门子S7—1200 PLC编程与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2023.

[2]杨更更.Modbus软件开发实战指南[M].2版.北京:清华大学出版社,2021.

[3]罗伟雄,韩力,原东昌,等.通信原理与电路[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

《机电信息》2025年第13期第2篇