Modbus協(xié)議在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭瓊,姚曉寧

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自控系,江蘇 無錫 214121)

1 引言

變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能、高運行效率和功率因數(shù)以及顯著的節(jié)電效果,被廣泛應(yīng)用于異步電動機調(diào)速系統(tǒng)和風(fēng)機泵類負(fù)載的節(jié)能改造項目中。自20世紀(jì)80年代引進中國以來,變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度控制中重要的自動化設(shè)備,得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

在變頻器實際應(yīng)用中,變頻器頻率設(shè)置的方法大多采用面板或外部端子進行設(shè)置;在需要經(jīng)常調(diào)整頻率參數(shù)或規(guī)模較大的調(diào)速控制系統(tǒng)等應(yīng)用場合,由于變頻器一般與現(xiàn)場設(shè)備安裝在一起,位置分散、工作環(huán)境惡劣,現(xiàn)場面板調(diào)整存在操作困難,且容易引起誤操作等問題;而通過外部端子進行模擬量調(diào)整時也存在遠(yuǎn)距離調(diào)整精度偏低、操控不便的問題;通過PLC接變頻器的外部控制端子開關(guān)量進行頻率控制,屬于有級調(diào)速,限制了應(yīng)用范圍。

采用Modbus通訊方式控制變頻器是一種比較新的方法,相對于傳統(tǒng)的控制方式,接線簡單,實現(xiàn)方便,可以發(fā)揮出變頻器更多的功能,從而解決以上的一系列問題。如可以使PLC以通訊的方式得到變頻器當(dāng)前的運行狀態(tài),可以進行設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作和信息的雙向交換,工作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)就能準(zhǔn)確地把握現(xiàn)場變頻設(shè)備的運行狀態(tài)并隨時進行控制操作。

2 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是MODICON公司開發(fā)的一種開放式現(xiàn)場總線通信協(xié)議,由于其功能完善而且使用簡單,數(shù)據(jù)易于處理,因而在各種智能設(shè)備中被廣泛采用。尤其適用于小型控制系統(tǒng)或單機控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)低成本、高性能的主從式計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

Modbus只定義了通訊消息的結(jié)構(gòu)。一個Modbus信息幀包括從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)、數(shù)據(jù)校驗碼,對端口沒有具體規(guī)定。許多工業(yè)設(shè)備包括PLC、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。Modbus的數(shù)據(jù)通信采用主/從方式,主設(shè)備可以單獨和從設(shè)備通信,也可以通過廣播方式和所有從設(shè)備通信。單獨通信時,從設(shè)備需要返回一消息作為回應(yīng);而以廣播方式查詢的,則不作任何回應(yīng)。由于Modbus協(xié)議具有良好的適用性,已經(jīng)得到了諸如GE,SIEMENS等公司的應(yīng)用,并把它作為一種標(biāo)準(zhǔn)的通信接口提供給用戶。

在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)中有兩種傳輸模式可供選擇,一種為ASCII模式,一種為 RT U模式,選用哪種傳輸模式由主設(shè)備進行選擇。RTU模式采用二進制表示數(shù)據(jù)的方式,而ASCII模式使用的字符是RT U模式的2倍,即在相同傳輸速率下,RT U模式比ASCII模式傳輸效率要提高一倍。因此本文將介紹采用 RTU模式通訊實現(xiàn)PLC控制變頻調(diào)速的功能。

3 基于Modbus總線控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 控制要求與系統(tǒng)配置

在本系統(tǒng)中,要求PLC和變頻器之間通過Modbus通信,實現(xiàn)PLC控制變頻器,對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控、完成速度設(shè)定和運行狀態(tài)的調(diào)整。在設(shè)備選取上,我們選擇了施耐德電氣公司的PLC和變頻器。將PLC做為主站,變頻器設(shè)為從站,主站通過站號區(qū)分不同的從站,從站在收到主站的讀/寫命令后發(fā)送數(shù)據(jù)。

Twido是施耐德電氣公司的一個功能強大的PLC產(chǎn)品,在其內(nèi)部集成有Modbus通訊協(xié)議,在ATV31型號變頻器中同樣集成有Modbus通訊協(xié)議;這樣,PLC控制器就不需要增加模擬量輸出模塊或額外的離散量輸出點,通過借助這兩款產(chǎn)品內(nèi)置的Modbus功能就可實現(xiàn)比傳統(tǒng)方式更為靈活的控制功能。

TWDLCAA40DRF型號的一體型PLC有2個通信口,端口1用于連接編程電纜,端口2用于連接變頻器;變頻器型號為ATV31H075N4A,該變頻器頻率調(diào)整可以采用面板設(shè)置、外接端子排控制和總線控制方式。采用Modbus總線連接PLC與變頻器,只需要一根通訊電纜,將8針圓頭一端連接到PLC的通訊端口2上,電纜另一端為RJ45連接頭,連接在變頻器的Modbus口上(即RJ45端口)。系統(tǒng)外部接線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的外部接線Fig.1 Outside wiring diagram of the system

3.2 變頻器的設(shè)置

為了實現(xiàn)PLC對ATV31的Modbus通信控制,需要在變頻器上設(shè)置控制方式和通信參數(shù)?？刂品绞皆O(shè)置有以下3個參數(shù)。

CTL-LAC設(shè)置為訪問高級功能與混合控制模式的管理,選擇參數(shù)為L3;CTL-FR1設(shè)置為通過Modbus總線給定方式,選擇參數(shù)為Ndb;CTLCHCF設(shè)置為控制和頻率給定由同一種方式設(shè)定的控制方式,選擇參數(shù)為SIN。

為了建立正確的通信,還需要在變頻器內(nèi)設(shè)置與通信有關(guān)的站號、波特率、奇偶校驗等參數(shù),設(shè)置路徑如下。

CON-Add設(shè)置變頻器地址,地址在1～247范圍內(nèi)可選,我們將其值設(shè)為2;CON-tbr設(shè)置通信速率,設(shè)為19.2 kb/s;通過路徑CON-tFO設(shè)置Modbus通信格式,參數(shù)設(shè)為8n1,即8個數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗、1個停止位。

3.3 PLC的配置和編程

PLC的硬件端口配置如圖2所示。點擊“添加選件”,然后選擇“TWDNCAC485D”,在“硬件”中就會出現(xiàn)通信“端口2”。

圖2 PLC的硬件端口配置線Fig.2 Port configuration of PLC

其中端口1采用編程電纜與計算機相連,端口2連接至 ATV31型號變頻器的Modbus接口,其通信參數(shù)、數(shù)據(jù)格式與變頻器設(shè)置保持一致。

4 系統(tǒng)運行與監(jiān)控

變頻器Modbus通訊通常用到的功能代碼是03,06,16和43。在Modbus協(xié)議中,變頻器的頻率、電壓、電流等參數(shù)值存放在相應(yīng)的寄存器中;運行、停止、報警等開關(guān)量信息則用寄存器的位來表示。因此,PLC通過讀寫相應(yīng)的寄存器就可以實現(xiàn)變頻器的狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)修改。

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控

通過計算機或觸摸屏等人機界面與PLC連接,可以實現(xiàn)對變頻器狀態(tài)的實時監(jiān)控;監(jiān)控功能通過選擇Modbus的03號功能代碼實現(xiàn),其含義為讀取指定從站的多個寄存器值。讀取變頻器的參數(shù)程序如圖3所示。

圖3 PLC讀取變頻器的狀態(tài)Fig.3 PLC reading the status of frequency converter

該程序為主設(shè)備對從站2的查詢,其中%MW13中的值為讀出變頻器狀態(tài)字ETA的指定地址 W3201,從站的回應(yīng)值放在%MW15,%MW16,%MW17中。觀察表1所示的動態(tài)數(shù)據(jù)表,%MW15的值為從站地址02和功能代碼03,%MW16為在從站中要讀取的字節(jié)數(shù)2,%MW17為要讀取的寄存器狀態(tài)字的值,16#0227表明變頻器處在正轉(zhuǎn)加速中。

表1 動態(tài)數(shù)據(jù)表T ab.1 Dynamic data tables

根據(jù)需要還可以讀出電機輸出頻率、給定頻率、線電壓等參數(shù),只需要修改程序中的指定地址或讀取的字?jǐn)?shù)即可,從而完成對變頻器各種工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

4.2 參數(shù)修改

要改變當(dāng)前變頻器的運行頻率和電機的運行狀態(tài)等參數(shù),需要選用Modbus的16號功能代碼,其含義為寫數(shù)據(jù)到指定從站的多個寄存器中,即向變頻器的控制字CMD中寫入控制命令和需要調(diào)整的頻率,PLC對變頻器寫數(shù)據(jù)的程序見圖4。

圖4 PLC對變頻器寫數(shù)據(jù)Fig.4 PLC writing the data to frequency converter

在該程序中,%MW103中的值為變頻器控制字CMA指定首地址W8501,當(dāng)%MW106的值為16#000F時電機正轉(zhuǎn),為16#080F時電機反轉(zhuǎn),為16#100F時電機停止。觀察表1所示動態(tài)數(shù)據(jù)表中%MW106～%MW110的值,%MW106中的當(dāng)前值為16#000F,表明當(dāng)前電機處在正轉(zhuǎn)狀態(tài);%MW107為寫入變頻器的頻率值,500表明當(dāng)前電機設(shè)定的頻率為50 Hz,%MW108～110為變頻器的回應(yīng)值。改變變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及當(dāng)前頻率值的程序如圖5所示。

圖5 改變變頻器的運行狀態(tài)Fig.5 Changing the running status of frequency converter

其中,%I0.12,%I0.13,%I0.14分別為電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止?fàn)顟B(tài)下設(shè)定的控制按鈕,%I0.15,%I0.16分別為設(shè)定電機頻率50 Hz和10 Hz的轉(zhuǎn)換開關(guān)。若要通過觸摸屏來改變變頻器的頻率或運行狀態(tài),只要在程序中的%I0.12～%I0.16常開觸點兩端并聯(lián)一些中間繼電器M的常開觸點即可。表2為電機正轉(zhuǎn)運行達到50 Hz速度時當(dāng)前變頻器工作狀態(tài)監(jiān)控的動態(tài)數(shù)據(jù)表。表3為電機反轉(zhuǎn)運行達到10 Hz速度時當(dāng)前變頻器工作狀態(tài)監(jiān)控的動態(tài)數(shù)據(jù)表。

表2 電機正轉(zhuǎn)達到設(shè)定速度50 Hz的狀態(tài)監(jiān)控T ab.2 The monitoring status of motor forwarding to the set speed 50 Hz

表3 電機反轉(zhuǎn)達到設(shè)定速度10 Hz的狀態(tài)監(jiān)控T ab.3 The monitoring status of motor reversing to the set speed 10 Hz

5 結(jié)論

本系統(tǒng)選取了直接支持Modbus協(xié)議的PLC和變頻器,系統(tǒng)連接和編程都非常簡單和直接。使用PLC與變頻器進行Modbus串行通信,有以下優(yōu)點。

1)PLC采用通信方式進行變頻器參數(shù)設(shè)置,能夠避免模擬量控制方式造成的漂移誤差和面板控制帶來的誤操作等問題,有效提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

2)可以對變頻器內(nèi)部諸如電動機電壓、頻率、故障等參數(shù)進行實時監(jiān)控,及時掌握變頻器工作狀態(tài),并可及時根據(jù)參數(shù)變化情況采取相應(yīng)措施以保證變頻器正常運行。

3)采用通訊方式,可根據(jù)工藝要求靈活、方便地完成對變頻器運行參數(shù)的修改和調(diào)整,也可與HMI配合使用,操作方式更加直觀、簡捷、靈活。

PLC通過Modbus通訊方式控制變頻器,自動化程度高、投資少,增強了變頻器數(shù)據(jù)處理、故障報警等方面的功能,而且接線簡單、維護方便、可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。若要連接多臺變頻器,只需要選用相應(yīng)的擴展設(shè)備,如接線盒、分配器模塊等,系統(tǒng)擴展非常方便。因而,采用總線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備控制要求是工業(yè)控制的一種發(fā)展趨勢。

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