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1 引言
电气化铁道是由沿线分布的牵引变电所分段供电的，多个牵引变电所由远端的调度中心实现远动监控。每个变电所设置RTU在线采集运行数据和确定运行状态，并将它们传输至调度中心;RTU接收调度中心指令对变电所的设备实施控制，构成完整的SCADA/RTU系统。为适应教学和科研的需要，2000年经教育部立项，西南交通大学在峨眉校区建成了“变电所远动监控（SCADA/RTU）实验系统”，该系统的设计目标是实施对铁路牵引变电所等多种供电设备进行远程监视、控制、测量，实现无人值守，对各种瞬间发生的电气事故进行分析判断，对现场众多电气数据进行记录和统计处理。
2 系统设计
变电所远动监控（SCADA/RTU）实验系统由三个部分组成：1、设置在调度端的控制站设备2、分布在某铁路沿线的五个牵引变电所（模拟），配置在五个变电所内的RTU和被控设备采集信号变送装置3、数据传输通道。系统结构图如图1。
由图1看出：系统包括上位机和下位机两部分。上位机是指调度端（调度员站），包括HMI（Human MachineInterface）系统和数据库管理系统，功能是遥控操作，遥信、遥测显示及数据报表统计，记录事故分析等。而下位机是指数据采集系统及各种智能控制设备，在这里指的是五个RTU。
2.1 由PLC模块构成RTU
下位机的关键设备是采用法国施耐德（Schneider）电气公司的MomentumPLC系列构成的五个RTU。该方案采用模块式结构，可根据应用需求进行灵活配置和可以扩展。采用PLC的RTU基于几点考虑：（1）系统为开环监控工作方式，对于控制过程的快速性要求不高;（2）PLC具有高可靠性和极强的抗干扰能力;（3）模块化配置实现多功能扩展。
各变电所监控的信号量统计如下表：
各变电所的RTU的PLC功能模块配置如下表：
2.2 PLC 编程软件
PLC编程用基于Microfostbbbbbbs环境的编程软件Concept开发。以实现现场数据的采集、计算、统计、数据通信、系统故障诊断等功能。Concept符合IEC-1131-3编程语言标准，有梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本、指令表。Concept提供了实用简单友好的用户界面，有丰富的编译工具、强劲的搜索功能、自由格式的图形编辑器、完善的在线帮助，使得对ModiconTSX Momentum(模块式MomentumPLC组板)构成的自动化控制系统的程序编写、软件调试、系统维护十分简单。
2.3系统软件设计
系统上位机采用以bbbbbbs2000/NT的操作平台、美国Inbbblution公司的iFIX2.5工业监控组态软件。它采用开放的全分布式网络结构，其结构简单、扩展方便，所构成系统的规模视具体应用需要可大可小。iFIX2.5为用户提供标准的网络接口、硬件接口和软件接口，以满足系统的功能扩展、规模扩展、硬件更新。
iFIX组态软件能较好地满足电力系统对数据采集的实时性和控制的可靠性的要求如：数据采集和监视、遥控操作、数据处理及统计、自动职责划分、报警处理、自动操作记载、曲线、报表制作及打印功能、系统仿真等。
2.4 系统网络结构
系统采用标准的开环总线以太网配置。这样不仅降低了成本，方便布线，易于扩展；网络结构上保证了信息传输的安全性，能对数据进行有效的分流，从而减轻网络负荷，增强了系统的可靠性。其网络标准为IEEE802.3；传输速率为10Mbps。整个系统采用10/100M以太网交换机形成自适应以太网通信。100M作为调度端内部的数据传输速率，而调度端与RTU之间的数据传输速率为10M，这是因为在RTU中采用的是通用的10Base-T集线器。
由于调度端与五个变电所之间都有数十公里的远距离，故它们之间用光纤连接成骨干网，这样不仅可以解决远距离通信问题，可以大大提高骨干网的抗干扰能力和可靠性。通过光纤连接的骨干网具有较大的带宽，为将来网络的扩充、速度的提升预留了空间。各控制域的交换机到现场设备之间采用屏蔽双绞线，交换机的安装位置选择在靠近现场设备的地方。
上位机与下位机的通信是监控系统的一个关键。我们选用通用的工业标准Modbus协议，并与以太网TCP/IP结合，在TCP帧中嵌入Modbus信息帧，成为基于以太网的ModbusTCP/IP协议，如图2所示。
Modbus采用主从方式定时收发数据。在本系统，上位机定义为主设备，下位机五个RTU所有智能监控装置定义为从设备，只有主设备能初始化或对从设备查询。所有设备都有规定的IP地址，主设备按地址发布消息，从设备根据主设备查询或提供的数据决定要产生何种行动，实现了系统的监控功能;当系统故障，比如五个RTU中有某一模块从网络中断开，在主设备端马上诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这样有利于操作员进行系统功能诊断。
3 系统工作过程
下位机从现场设备采集遥信及遥测信号，经过一定的处理（16个遥信开关量信号合成一个16位的字,每个遥测模拟量信号转换成一个16位的字）后存储到PLC的寄存器中供上位机读取；接收上位机发送的遥控命令经过处理后传给现场设备。而上位机则是负责从下位机读取遥信量和遥测量，经过处理后进行显示或生成报表等；根据操作员的需要发出遥控命令。下面分别介绍系统的具体工作过程。
3.1 系统通信
整个系统的通信都是基于IP地址的。
（1）上位机和下位机的通信，是通过为iFIX组态软件的各个通信通道，设置与其建立通信的PLC的IP地址来实现的。iFIX对每个变电所分配一个通信通道，五个变电所占用五个通信通道。
（2）下位机Momentum M1处理器和通信适配器间的通信：在下位机编程软件Concept-PLC/Configuration-Config /Extensions-Ethernet/I/O scannner对话框中的Slave IPAddress一栏中输入通信适配器的IP地址，再在该对话框的其它栏中输入要读写M1处理器（主站）和通信适配器（从站）的寄存器地址，即可实现Momentum M1处理器和通信适配器的通信。
（3）Web网页的浏览。通过在浏览器中输入Momentum M1处理器的IP地址并建立连接，即可浏览到MomentumM1处理器中中Web网页。
3.2 下位机接受遥控（YK）命令
上位机往下位机写的遥控（YK）命令，是以一个字（word）为单位的，一个字包括16位（bit），每一位（bit）代表一个遥控信号。由于各变电所的遥控对象小于8个，每个遥控对象又有两种操作状态（如断路器的分闸和合闸），每个变电所的遥控操作对象小于16个，五个变电所均只用一个字就可包括所有的遥控信号。
从上位机来的16位的遥控字（word）存到Momentum的M1处理器通信适配器的寄存器的某个区（如400011）中，当操作员发出一个遥控命令时，相应的遥控位由0变为1，离散量基板上对应的输出端被置为高电平，被控制的断路器受电动作。通过设置让输出端的高电平维持5秒钟，以确保断路器操作机构动作使断路器跳闸或合闸。
由于PLC模拟块是低电压低电流输入，而控制回路电压电流比较大，需要用继电器来进行电气隔离放大。
3.3下位机遥信（YX）信号处理
遥信（YX）信号包括位置信号和非位置信号，位置信号包括断路器和隔离开关的分、合状态；非位置信号包括保护信号和故障信号的状态。遥信信号是由Momentum的离散量基板进行采集的，离散量基板把从现场设备送上来的16位离散的输入数据以一个字（word）的方式传送给M1处理器通信适配器。再由M1处理器与上位机建立通信，传送数据。
3.4 下位机遥测（YC）信号处理
遥测信号是用TSX Momentum 170AAI的8通道输入差分基板采集的，我们采用的是平均值变送器，把变电所一次回路中的交流电压和电流以直流平均值表示，再输入到模拟量基板中。基板的8输入通道是为8个模拟量输入提供的，每个模拟量占用一个通道，每个输入通道对应一个输入字(word)；由于模拟量AAI基板上扣有Momentum的M1处理器适配器，由基板传上来的模拟量信号直接存到M1处理器的寄存器中供上位机读取；而每个通道的输入参数则通过Concept中硬件配置中的I/OMap进行设定。
3.5上位机功能实现
上位机用的iFIX组态软件带有Modbus EthernetI/O驱动程序，并为每个模拟变电所分配一个通信信道，通过以太网交换机和10Base-T以太网电缆直接与RTU中的PLC通信，采用的网络协议是TCP/IP协议。
上位机运用iFIX组态软件主要实现以下的功能模块：欢迎画面、主画面、系统运行记录、设备配置图、变电所实况图、电压电流显示图、变电所控制屏、事件记录、报警记录、模拟屏显示、曲线、重载数据库、程控操作、报警画面、数据备份与恢复、模拟变电所接线图、系统帮助画面。
采用C++Builder开发的数据库的报表管理系统对整个控制系统产生的数据进行查询、打印、转出、计算、分析。该系统主要有以下功能：日报管理、月报管理、电度日报管理、电度月报管理、操作事件管理、异常事件管理、报警信息管理、图形分析。
报表管理系统还具有丰富强大的电子制表功能。通过动态数据交换（DDE）和ODBC标准，可方便地将系统的实时数据、历史数据库、应用数据库与报表系统链接，可生成柱形图、条形图、面积图等二维或三维的彩色图型，形成图文并茂、直观清晰的图文报表，并可召唤、定时和条件驱动打印报表。
3.6 Web功能实现
在RTU方案中，所采用的施耐德电气公司Momentum系列的M1通信适配器，内置了Web服务器和带有五页嵌入式Web网页，不需要任何特殊的配置，只要有一台配置了Web浏览器（如IE、NetscapeNavigator）的PC机就可以通过以太网浏览到Momentum M1处理器的Web 网页。MomentumM1处理器的嵌入式Web网页能实时地显示该处理器、以太网及当地I/O点的运行状况。
5 结束语
本文介绍了基于PLC的RTU的远程分布多变电所的SCADA/RTU方案，并据此设计和建成了一个完整的远动监控实验系统。系统组网简洁，软件层次清晰并满足可靠性和可扩展性。ModbusTCP/IP协议由于它的开放性、简便性、低成本以及需要少的硬件支持已经成为工业上的事实标准。特别是系统的五个RTU采用了具有嵌入式Web服务器的模块式结构的MomentumPLC系列，使得调度端、乃至Internet上的任意节点，都能实时了解到该系统各部分的运行状态及运行记录。该系统已投入使用一年多，取得了满意的效果。
这座深水港所在的马迹山，位于浙江舟山嵊泗岛附近，一期工程设计年吞吐能力为1200万吨，但实际估计可达2000万吨。码头前沿水深达26米，可停靠25万吨、兼靠30万吨的超大型船舶，与国际深水航道顺直衔接。港口料场的储矿能力达108万吨。
本网络PLC控制系统采用工业以太网和现场总线共同布局，有如下用途：
* 控制皮带机，进行铁矿石装卸作业。
* 监测辅助工艺设备。
* 与大机的通讯。
* 送有关矿石输送流程及设备的数据至生产及设备管理数据库。
二， 网络拓扑：
三， 网络设备选型：
赫斯曼RS2、RS1交换机系列、RT系列光电转换器、OZD GENIUS产品系列。
四， 网络方案说明和特点：
本控制系统采用赫斯曼的工业以太网超级冗余环和GENIUS的现场总线构成的双冗余环形结构，网络通讯具有冗余的特性。GENIUS现场总线冗余是通过GENIUS网光电收发器自动实现。
1、引言
在工业自动化控制系统中，为常见的是PLC和变频器的组合应用，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，其中采用RS-485通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用：因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉。RS-485的通讯必须解决数据编码、求取校验和、成帧、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等一系列技术问题，一条简单的变频器操作指令，有时要编写数十条PLC梯形图指令才能实现，编程工作量大繁琐，令设计者望而生畏。
本文介绍一种非常简便的三菱FX系列PLC通讯方式控制变频器的方法：它只需在PLC主机上安装一块RS-485通讯板或挂接一块RS-485通讯模块； 在PLC的面板下嵌入一块造价仅仅数百元的“功能扩展存储盒”，编写4条极其简单的PLC梯形图指令，即可实现8台变频器参数的读取、写入、各种运行的监视和控制，通讯距离可达50m或500m。这种方法非常简捷便利，极易掌握。本文以三菱产品为范例，将这种“采用扩展存储器通讯控制变频器”的简便方法作一简单介绍。
2、三菱PLC采用扩展存储器通讯控制变频器的系统配置
2.1 系统硬件组成
如图1～图3所示。
图1 三菱PLC采用扩展存储器通讯控制变频器的系统配置
图2 FX2N-485-BD通讯板外形图
图3 三菱变频器 PU插口外形及插针号（从变频器正面看）
FX2N系列PLC（产品版本V 3.00以上）1台（软件采用FX-PCS/WIN-C V 3.00版）；
FX2N-485-BD通讯模板1块（长通讯距离50m）；
或FX0N-485ADP通讯模块1块+FX2N-CNV-BD板1块（长通讯距离500m）；
FX2N-ROM-E1功能扩展存储盒1块（安装在PLC本体内）；
带RS485通讯口的三菱变频器8台（S500系列、E500系列、F500系列、F700系列、A500系列、V500系列等，可以相互混用，总数量不超过8台；三菱所有系列变频器的通讯参数编号、命令代码和数据代码相同。）；
RJ45电缆（5芯带屏蔽）；
终端阻抗器（终端电阻）100Ω；
选件：人机界面（如F930GOT等小型触摸屏）1台。
2.2 硬件安装方法
（1） 用网线专用压接钳将电缆的一头和RJ45水晶头进行压接；另一头则按图1～图3的方法连接FX2N-485-BD通讯模板，未使用的2个P5S端头不接。
（2） 揭开PLC主机左边的面板盖, 将FX2N-485-BD通讯模板和FX2N-ROM-E1功能扩展存储器安装后盖上面板。
（3） 将RJ45电缆分别连接变频器的PU口，网络末端变频器的接受信号端RDA、RDB之间连接一只100Ω终端电阻，以消除由于信号传送速度、传递距离等原因，有可能受到反射的影响而造成的通讯障碍。
2.3 变频器通讯参数设置
为了正确地建立通讯，必须在变频器设置与通讯有关的参数如“站号”、“通讯速率”、“停止位长/字长”、“奇偶校验”等等。变频器内的Pr.117～Pr.124参数用于设置通讯参数。参数设定采用操作面板或变频器设置软件FR-SW1-SETUP-WE在PU口进行。
2.4 变频器设定项目和指令代码举例
如表1所示。参数设定完成后, 通过PLC程序设定指令代码、数据和开始通讯, 允许各种类型的操作和监视。
2.5 变频器数据代码表举例
如表2所示。
2.6 PLC编程方法及示例
（1） 通讯方式
PLC与变频器之间采用主从方式进行通讯，PLC为主机，变频器为从机。1个网络中只有一台主机，主机通过站号区分不同的从机。它们采用半双工双向通讯，从机只有在收到主机的读写命令后才发送数据。
（2） 变频器控制的PLC指令规格
如表3所示。
（3） 变频器运行监视的PLC语句表程序示例及注释
LD M8000 运行监视；
EXTR K10 K0 H6F D0 EXTR K10：运行监视指令；K0：站号0；H6F：频率代码（见表1）； D0：PLC读取地址（数据寄存器）。
指令解释：PLC一直监视站号为0的变频器的转速（频率）。
（4） 变频器运行控制的PLC语句表程序示例及注释
LD X0 运行指令由X0输入；
SET M0 置位M0辅助继电器；
LD M0
EXTR K11 K0 HFA H02 EXTR K11：运行控制指令； K0：站号0；HFA：运行指令（见表1）； H02：正转指令（见表1）。
AND M8029 指令执行结束；
RST M0 复位M0辅助继电器。
指令解释：PLC向站号为0的变频器发出正转指令。
（5） 变频器参数读取的PLC语句表程序示例及注释
LD X3 参数读取指令由X3输入；
SET M2 置位M2辅助继电器；
LD M2
EXTR K12 K3 K2 D2 EXTR K10：变频器参数读取指令； K3：站号3；K2：参数2-下限频率（见表2）； D2：PLC读取地址（数据寄存器）。
OR RST M2 复位M2辅助继电器。
指令解释：PLC一直读取站号3的变频器的2号参数-下限频率。
（6） 变频器参数写入的PLC语句表程序示例及注释
LD X1 参数变更指令由X3输入；
SET M1 置位M1辅助继电器；
LD M1
EXTR K13 K3 K7 K10 EXTR K13：变频器参数写入指令；K3：站号3；K7：参数7-加速时间（见表2）；K10：写入的数值。
EXTR K13 K3 K8 K10 EXTR K13：变频器参数写入指令；K3：站号3；K8：参数8-减速时间（见表2）； K10：写入的数值。
AND M8029 指令执行结束；
RST M1 复位M1辅助继电器。
指令解释：PLC将站号3的变频器的7号参数-加速时间、8号参数-减速时间变更为10。
3、三菱PLC控制变频器的各种方法综合评述与对比
3.1 PLC的开关量信号控制变频器
PLC（MR型或MT型）的输出点、COM点直接与变频器的STF（正转启动）、RH（高速）、RM（中速）、RL（低速）、输入端SG等端口分别相连。PLC可以通过程序控制变频器的启动、停止、复位； 也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。因为它是采用开关量来实施控制的，其调速曲线不是一条连续平滑的曲线，也无法实现精细的速度调节。这种开关量控制方法，其调速精度无法与采用扩展存储器通讯控制的相比。
3.2 PLC的模拟量信号控制变频器
硬件：FX1N型、FX2N型PLC主机，配置1路简易型的FX1N-1DA-BD扩展模拟量输出板； 或模拟量输入输出混合模块FX0N-3A； 或两路输出的FX2N-2DA； 或四路输出的FX2N-4DA模块等。
优点： PLC程序编制简单方便，调速曲线平滑连续、工作稳定。
缺点： 在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是DA模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。从经济角度考虑，如控制8台变频器，需要2块 FX2N-4DA模块，其造价是采用扩展存储器通讯控制的5～7倍。
3.3 PLC采用RS-485无协议通讯方法控制变频器
这是使用得为普遍的一种方法，PLC采用RS串行通讯指令编程。
优点：硬件简单、造价低，可控制32台变频器。
缺点：编程工作量较大。从本文的第二章可知：采用扩展存储器通讯控制的编程极其简单，从事过PLC编程的技术人员只要知道怎样查表，仅仅数小时即可掌握，增加的硬件费用也很低。这种方法编程的轻松程度，是采用RS-485无协议通讯控制变频器的方法所无法相比的。
3.4 PLC采用RS-485的Modbus-RTU通讯方法控制变频器
三菱新型F700系列变频器使用RS-485端子利用Modbus-RTU协议与PLC进行通讯。
优点： Modbus通讯方式的PLC编程比RS-485无协议方式要简单便捷。
缺点： PLC编程工作量仍然较大。
3.5 PLC采用现场总线方式控制变频器
三菱变频器可内置各种类型的通讯选件，如用于CC-bbbb现场总线的FR-A5NC选件； 用于Profibus DP现场总线的FR-A5AP（A）选件； 用于DeviceNet现场总线的FR-A5ND选件等等。三菱FX系列PLC有对应的通讯接口模块与之对接。
优点： 速度快、距离远、效率高、工作稳定、编程简单、可连接变频器数量多。
缺点： 造价较高，远远高于采用扩展存储器通讯控制的造价。
PLC采用扩展存储器通讯控制变频器的方法确有造价低廉、易学易用、性能可靠的优势； 若配置人机界面，变频器参数设定和监控将变得更加便利。
1台PLC和不多于8台变频器组成的交流变频传动系统是常见的小型工业自动化系统，广泛地应用在小型造纸生产线、单面瓦楞纸板机械、塑料薄膜生产线、印染煮漂机械、活套式金属拉丝机等各个工业领域。采用简便控制方法，可以使工程方案拥有通讯控制的诸多优势，又可省却RS-485数据通讯中的诸多繁杂计算，使工程质量和工作效率得到极大的提高。这种简便方法也有其缺陷：它只能控制变频器而不能控制其它器件；控制变频器的数量也受到了限制。
4、结束语
本文较为详细地介绍了PLC采用扩展存储器通讯控制变频器的简便方法，并综合评述了三菱PLC控制变频器的各种方法。深入了解这些方法，有助于提高交流变频传动控制系统设计的科学性、先进性和经济性。读者可以根据系统的具体情况，选择合适的方案。本文重点介绍的简便方法有其缺陷，但仍不失为一种有推广价值的好方法。