郭 瓊 韓東起
(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214121)
基于Modbus總線應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計
郭 瓊 韓東起
(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214121)
總線控制技術(shù)是一門涉及多學(xué)科、多知識領(lǐng)域的專業(yè)課程。結(jié)合高職學(xué)生知識結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和生產(chǎn)實際,以案例帶動知識點開展學(xué)習(xí),注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力,掌握使用目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的現(xiàn)場總線的方法,可以縮短理論課堂教學(xué)與實際生產(chǎn)應(yīng)用的距離,提高教學(xué)的針對性和實效性,培養(yǎng)和提高學(xué)生對總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和使用能力。本文主要以M odbus總線的學(xué)習(xí)內(nèi)容為例,闡述了本課程教學(xué)開發(fā)思路和實施過程。
現(xiàn)場總線;M odbus;教學(xué)設(shè)計
電氣自動化專業(yè)是我院的一個老牌專業(yè),始創(chuàng)于1988年,經(jīng)過多年的努力,該專業(yè)無論在辦學(xué)還是在師資建設(shè)上都取得了長足的進展。近年來隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展,許多新技術(shù)不斷應(yīng)用,對教學(xué)內(nèi)容也提出了更高的要求?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)作為第五代控制系統(tǒng),因其所具有的突出優(yōu)點,在工業(yè)企業(yè)中也迅速得到普及和應(yīng)用。為適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展,為學(xué)生今后就業(yè)或深造打下一定的基礎(chǔ),我專業(yè)于2007年開設(shè)了《總線技術(shù)及應(yīng)用》課程,該門課程是一門綜合應(yīng)用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)的課程,也是《PLC技術(shù)及應(yīng)用》、《微控制器原理及應(yīng)用》、《運動控制系統(tǒng)安裝調(diào)試與運行》等課程的后續(xù)課程,課程課時為48學(xué)時,在第五學(xué)期開設(shè)。
現(xiàn)場總線控制技術(shù)是一門強調(diào)實際應(yīng)用的課程,在工業(yè)現(xiàn)場,其發(fā)展與相關(guān)的應(yīng)用層出不窮。而目前現(xiàn)場總線具有不少于20種國際標(biāo)準(zhǔn),在課程中不可能都作為講課內(nèi)容,選取合適的教學(xué)內(nèi)容,采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法,是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。基于我院實際情況,我們在教學(xué)內(nèi)容選取上遵循以下原則:(1)選用被列入國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的常用現(xiàn)場總線;(2)在較常用的現(xiàn)場總線中選取與前續(xù)課程緊密相關(guān)的內(nèi)容,強調(diào)課程的關(guān)聯(lián)性和擴展性。
課程內(nèi)容主要采用項目教學(xué)法進行開發(fā),項目與生產(chǎn)實際相結(jié)合,以便快速提高學(xué)生的崗位適應(yīng)能力;教學(xué)方法相應(yīng)采用演示、現(xiàn)場教學(xué)、分組討論、小組競賽等,淡理論、重實踐,提高學(xué)生的參與熱情。
根據(jù)以上原則,結(jié)合實際應(yīng)用情況和我專業(yè)現(xiàn)有實訓(xùn)設(shè)備以及對企業(yè)和畢業(yè)生的調(diào)研情況,精心設(shè)計和組織本課程的教學(xué)內(nèi)容,同時編寫了相應(yīng)的校本教材;三菱、西門子PLC在我國的應(yīng)用較為普遍,也是高職相關(guān)課程中選用最多的PLC類型,為不失一般性,在現(xiàn)場總線技術(shù)課程中以這兩種PLC為平臺,引進其相關(guān)的現(xiàn)場總線CC-Link及Profibus作為學(xué)習(xí)和實踐的教學(xué)內(nèi)容。同時,由于Modbus協(xié)議開放、應(yīng)用廣泛,將其通信內(nèi)容也作為教學(xué)的重點內(nèi)容。
一般現(xiàn)場總線的應(yīng)用系統(tǒng)都較為復(fù)雜,且涉及多學(xué)科的相關(guān)知識,如此繁雜的內(nèi)容如何能夠用簡捷的教學(xué)方法闡述清楚,是我們在教學(xué)過程中經(jīng)常碰到的問題。在教學(xué)設(shè)計中,我們從應(yīng)用出發(fā),在完成PLC、單片機及變頻器等課程的學(xué)習(xí)后,首先指導(dǎo)學(xué)生從熟悉的控制系統(tǒng)出發(fā),引入現(xiàn)場總線控制方式,通過比較,學(xué)生很容易理解,且上手很快,學(xué)習(xí)熱情很高,而且通過具體的系統(tǒng)構(gòu)建和調(diào)試,強化了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解,了解了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的全貌,同時對學(xué)生的規(guī)范操作也起到強化訓(xùn)練的作用。
隨著專業(yè)建設(shè)的深入,我們與多家企業(yè)合作,進行工學(xué)結(jié)合和頂崗實習(xí),初步形成了校外實踐基地的建設(shè),部分實踐基地也可作為很好的現(xiàn)場總線課程現(xiàn)場教學(xué)的場所。同時,為滿足專業(yè)課程的教學(xué)需要,我們對原先單一功能的實驗(訓(xùn))室進行了改造,成為集授課區(qū)、討論區(qū)、訓(xùn)練區(qū)和信息區(qū)于一體的新型教室。通過教學(xué)環(huán)境的改善,更好地滿足了“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)要求。下面以Modbus總線的學(xué)習(xí)內(nèi)容為例,介紹本課程教學(xué)開發(fā)思路和實施過程。
Modbus總線項目的教學(xué)內(nèi)容分為三個模塊:(1)Modbus總線的認(rèn)識。(2)Modbus總線在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。(3)基于Modbus總線的供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。三個模塊連貫性很強,前一個模塊是后一個模塊的基礎(chǔ),后一個模塊是前一個模塊的應(yīng)用和深入。通過該項目的學(xué)習(xí),學(xué)生可以學(xué)會Modbus的協(xié)議規(guī)范、常用幾種功能碼的格式和在實際系統(tǒng)中的使用方法。由于該課程綜合性和應(yīng)用性非常強,每一種總線都要搭建出系統(tǒng),如何才能在有限的時間內(nèi)將龐大的系統(tǒng)搭建并運行起來成為關(guān)鍵。我們采用搭積木的形式,由簡到繁,逐層遞進,硬件設(shè)備從少到多,系統(tǒng)的功能從簡單到復(fù)雜,從單一功能的實現(xiàn)到實際應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與運行。這樣,不但可以讓學(xué)生了解Modbus技術(shù)內(nèi)容,而且可以讓學(xué)生通過實踐環(huán)節(jié)將已學(xué)或新學(xué)的知識融會貫通。
以模塊2的實訓(xùn)內(nèi)容來介紹具體實施過程。該模塊的主要任務(wù)是通過采用Modbus總線技術(shù)對變頻器的參數(shù)進行修改和監(jiān)控,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程改變和調(diào)整電動機實際運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速,并對電動機實際運行狀態(tài)進行監(jiān)控和故障報警。教學(xué)安排在變頻調(diào)速實訓(xùn)室完成,該實訓(xùn)室有施耐德Twido系列PLC、ATV31變頻器,這兩種設(shè)備均集成有Modbus通訊協(xié)議,可以滿足實訓(xùn)條件的基本要求。
(一)選擇的意義
變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能,高效率、高功率因數(shù)和明顯的節(jié)電效果,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。采用Modbus通訊方式控制變頻器是一種比較新的方法,同面板設(shè)置相比可以避免誤操作和在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下工作;同外部端子工作方式相比接線更為簡單,遠(yuǎn)距離傳輸實現(xiàn)方便,可以更好地發(fā)揮變頻器的功能。如可以使PLC以通訊的方式獲取變頻器當(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。這種控制方式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。
(二)系統(tǒng)配置
Twido系列的PLC內(nèi)部集成有Modbus通訊協(xié)議,是施耐德電氣公司的一個功能較強的PLC產(chǎn)品,在ATV31型號變頻器中同樣集成有Modbus通訊協(xié)議,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,而無需添加模擬量輸出模塊或額外增加PLC的離散量輸出點。
在系統(tǒng)配置時,將PLC作為主站,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)。
TWDLCAA40DRF PLC為一體型PLC,有兩個通信口,端口1用于連接編程電纜,端口2用于連接變頻器的Modbus端口;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,將八針圓頭一端連接到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)。實訓(xùn)系統(tǒng)的外部接線如圖1所示。
圖1 實訓(xùn)系統(tǒng)的外部接線圖
(一)提出和分析控制要求
首先向?qū)W生提出控制要求。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。
先選用傳統(tǒng)的控制方法,如通過面板監(jiān)控與調(diào)節(jié)參數(shù)來滿足控制要求,通過分析比較發(fā)現(xiàn):必須現(xiàn)場操作且操作復(fù)雜,監(jiān)控不便;然后提出采用通信控制方法來克服其缺點,通過Modbus通信實現(xiàn)相同的控制要求。
(二)進行系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)置
硬件參數(shù)設(shè)置包括PLC的端口參數(shù)設(shè)置和變頻器參數(shù)的設(shè)置。通過現(xiàn)場教學(xué)邊講邊練完成。
PLC的配置 PLC的端口配置和參數(shù)設(shè)置如圖2所示。點擊“添加選件”,選擇“TWDNCAC485D”,在“硬件”中就會出現(xiàn)通信“端口2”;然后對端口1和端口2分別進行通訊參數(shù)配置。在配置通信參數(shù)時,可以選擇ASCII傳輸模式或者RTU傳輸模式,使用哪種傳輸模式由主設(shè)備進行選擇,但在同一個系統(tǒng)中不能混合使用兩種模式。參數(shù)配置時也可提出問題,讓學(xué)生清楚兩種傳輸模式間格式的區(qū)別和適用范圍。
圖2 PLC的端口配置圖
變頻器的參數(shù)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),其通信參數(shù)、數(shù)據(jù)格式與PLC設(shè)置要保持一致??刂品绞叫枰O(shè)置三個參數(shù):CTL-LAC-〉選擇參數(shù)為L3;CTL-FR1-〉選擇參數(shù)為Ndb;CTL-CHCF-〉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)置步驟為:CON-Add設(shè)置變頻器地址,地址在1~247范圍內(nèi)可選;CON-tbr設(shè)置通信速率,可以設(shè)為4.8 kbps、9.6 kbps或19.2kbps;通過路徑CON-tFO設(shè)置Modbus通信格式,可以選擇8O1、8E1、8n1或 8n2格式。硬件參數(shù)配置完成后,根據(jù)學(xué)生掌握情況進入總線控制系統(tǒng)功能實施階段。
(三)系統(tǒng)功能實現(xiàn)
要想讓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來,需要在主機PLC里面下載相應(yīng)的邏輯關(guān)系程序。最終通過在PLC監(jiān)控程序上在線監(jiān)控和修改變頻器的相關(guān)參數(shù),讓學(xué)生感性認(rèn)識Modbus通信的目的、通信的內(nèi)容及表現(xiàn)形式。準(zhǔn)備知識包括了解Modbus通訊常用的功能代碼及編程格式。
準(zhǔn)備知識1:功能代碼含義。
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)對變頻器狀態(tài)的監(jiān)控和參數(shù)修改。
要想實現(xiàn)對變頻器狀態(tài)的實時監(jiān)控功能,需要采用計算機或觸摸屏等人機界面與PLC連接起來,并且在編寫PLC程序時選擇Modbus的03號功能代碼,通過此代碼可以將指定從站的多個寄存器值讀入對應(yīng)的PLC寄存器。
系統(tǒng)要實現(xiàn)通過PLC程序改變當(dāng)前變頻器控制的電機運行狀態(tài)和運行頻率等參數(shù),需要選用Modbus的16號功能代碼,通過此代碼可以完成將數(shù)據(jù)寫到指定的從站寄存器中,即往變頻器的控制字CMD中寫入控制命令和需要調(diào)整的頻率。
準(zhǔn)備知識2:解讀編程格式。
讀取變頻器的參數(shù)程序格式如圖3所示。教學(xué)中邊操作邊講解,并通過投影儀將實時操作畫面投影到大屏幕上,邊講解格式邊現(xiàn)場觀察通信數(shù)據(jù)改變對系統(tǒng)的狀態(tài)影響。
圖3 讀取功能格式圖
例如,%MW2地址中的數(shù)據(jù)16#0203含義為主設(shè)備對從站2的查詢,執(zhí)行功能代碼03;%MW3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%MW5、%MW6、% MW7地址中;配合動態(tài)數(shù)據(jù)表(如圖4所示),觀察返回值。
講解完以后修改圖3程序中的指定地址16#0C81,讓學(xué)生觀察動態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的變換;繼續(xù)修改讀取的字?jǐn)?shù),結(jié)合系統(tǒng)運行狀態(tài)觀察動態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)情況。從而完成對變頻器各種工作狀態(tài)的實時監(jiān)控,加深學(xué)生對Modbus通信格式的理解及對總線控制系統(tǒng)的綜合認(rèn)識。
圖4 動態(tài)數(shù)據(jù)圖表
學(xué)生練習(xí):讓學(xué)生自己去修改變頻器的相關(guān)參數(shù),觀察電動機運行狀態(tài)變化情況;根據(jù)學(xué)生掌握情況,也可以設(shè)置部分故障訓(xùn)練學(xué)生排故能力,加深對知識的理解,如圖4所示,% MW7中的值是變頻器狀態(tài)返回值,16#0208表明變頻器故障,讓學(xué)生分析原因并排除故障。
學(xué)生練習(xí)完成后,由學(xué)生分組演示和講解系統(tǒng)運行情況和心得。教師講評各組的作品,提出改進意見和要求,并對本次教學(xué)項目進行知識點的歸納和總結(jié),鞏固學(xué)習(xí)知識。
在 Modbus總線項目的實施中,我們選取了直接支持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。其目的是讓學(xué)生學(xué)會使用Modbus總線進行組網(wǎng)和通信,在現(xiàn)場教學(xué)時可以根據(jù)學(xué)生反映情況進行變頻器中相應(yīng)參數(shù)的讀取、修改、排故等練習(xí),使得學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué),加深對新知識點的理解。本教學(xué)項目通過教學(xué)實踐有以下優(yōu)點:(1)使用Modbus總線將已學(xué)PLC、變頻器、電動機連接成一個系統(tǒng),連線簡單直觀,系統(tǒng)運行目標(biāo)明確,方便學(xué)生對新知識點的理解;(2)PLC采用通信方式進行變頻器參數(shù)設(shè)置,也是對已學(xué)PLC、變頻器的知識進行具體的應(yīng)用和拓展。(3)學(xué)生通過對該次任務(wù)的資料整理和匯總,可以很好地梳理學(xué)習(xí)過程中遇見的問題并總結(jié)解決的辦法。
在該項目的模塊2基礎(chǔ)上,可再通過添加觸摸屏和接線盒形成PLC、觸摸屏、多臺變頻器構(gòu)成的綜合控制系統(tǒng),完成模塊3的控制任務(wù)。模塊3教學(xué)任務(wù)可以采用教師提出控制要求,學(xué)生自己搭建系統(tǒng)和編寫程序,在規(guī)定的時間范圍內(nèi)完成控制任務(wù)。本項目配合積木式的柔性教學(xué)設(shè)備,可以搭接和擴展不同的總線控制系統(tǒng),既可以用于分項的現(xiàn)場教學(xué),也可以完成較為復(fù)雜的總線系統(tǒng)的綜合實訓(xùn)。
在總線技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)過程中,通過采用合理的現(xiàn)場教學(xué)項目設(shè)計方法,可使學(xué)生對總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和具體應(yīng)用有清晰的認(rèn)識,主動學(xué)習(xí)熱情普遍提高,實踐能力也明顯加強,取得較好的教學(xué)效果。
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A
1672-5727(2011)07-0087-03
郭瓊(1969—),女,四川營山人,碩士,無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動控制技術(shù)系副教授,研究方向為過程控制。