基于RS485總線的分布式變頻器監(jiān)控系統(tǒng)

劉旭明

(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

由于變頻器在節(jié)能及抑制電流沖擊方面的有著顯著效果，變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、采礦、工業(yè)風(fēng)機(jī)、水泵等工業(yè)領(lǐng)域及航空航天系統(tǒng)。在一般應(yīng)用場合下可使用PLC的輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止或多段速調(diào)速，或者采用PLC加D/A 功能模塊控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速或多臺(tái)變頻器之間的同步運(yùn)行。但在一些規(guī)模較大的生產(chǎn)線上，電動(dòng)機(jī)數(shù)量多且分布在不同位置，變頻器數(shù)目較多，采用D/A擴(kuò)展模塊做同步運(yùn)動(dòng)控制易受到模擬量信號(hào)的波動(dòng)和因距離不一致而造成的模擬量信號(hào)衰減不一致的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性降低。通過變頻器自帶的網(wǎng)絡(luò)通信功能，采用RS485通信控制方式，在工業(yè)現(xiàn)場1臺(tái)或數(shù)臺(tái)PLC可與多臺(tái)變頻器組成分布式控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在各種控制系統(tǒng)中，總線結(jié)構(gòu)多種多樣，其中RS485 串行通信方式采用一對(duì)平衡雙絞線作為傳輸媒體，具有多點(diǎn)雙向通信能力，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，具有傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、控制方便且成本低廉的特點(diǎn)，故得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是基于RS485串行通信方式，由觸摸屏、PLC與變頻器組成的控制系統(tǒng)。分布式的8臺(tái)變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PLC 作為上位機(jī)對(duì)這些變頻器進(jìn)行控制，可采用觸摸屏作為人機(jī)控制界面輸入和顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率、電流、電壓等各種參數(shù)。通過RS485通信協(xié)議，進(jìn)行PLC與各變頻器之間的內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，PLC向變頻器發(fā)送控制命令或查詢命令，變頻器根據(jù)命令執(zhí)行動(dòng)作或發(fā)送回答信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照系統(tǒng)需要的參數(shù)工作[2]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

RS485接口在總線上最多可連接32個(gè)站點(diǎn)，具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。使用RS485通訊控制，僅通過一條通訊電纜連接，無需其他外部接線，本系統(tǒng)是通過雙絞線將8個(gè)變頻器的RS485端子的數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端分別連接到一起。本系統(tǒng)采用的三菱FR740型變頻器有1個(gè)RS485的接線端子排，首先將FX3U-485-BD通訊板接裝到三菱FX3U PLC相應(yīng)接口。使用1對(duì)雙絞線連接，即將#1變頻器的SDA1與PLC通訊板的RDA連接，SDB1與PLC通訊板的RDB連接，RDA1與PLC通訊板的SDA連接，RDB1與PLC 通訊板的SDB連接，SG與PLC 通訊板的SG連接。FX3U-485-BD通訊板及變頻器上的RS485接線端子上的各功能端說明見表1。

表1 RS485各接線端子功能Table 1 Terminal functions of RS485

將#1變頻器的SDA2與#2變頻器的SDA1連接，#1變頻器的SDB2與#2變頻器的SDB1連接，#1變頻器的RDA2與#2變頻器的RDA1連接，#1變頻器的RDB2與#2變頻器的RDB1連接，#1變頻器的SG與#2變頻器的SG連接，按照同樣的接線方法依次連接其他相鄰各站點(diǎn)的變頻器。最后一站的變頻器的終端電阻開關(guān)設(shè)置在100 Ω側(cè)。系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連線Fig.2 Hardware connection

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

為了在PLC與變頻器之間及變頻器相互之間正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,需在變頻器內(nèi)設(shè)置站號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)[3]。PLC與變頻器之間的通信請(qǐng)求格式見圖3。ENQ作為計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求信號(hào)其ASCII值為05H。

圖3 PLC與變頻器之間的通信請(qǐng)求格式Fig.3 The communication request format between PLC and inverter

其中: *3表示控制代碼，*4表示CR( 回車符)或LF(換行符)代碼，*5規(guī)定變頻器收到計(jì)算機(jī)來的數(shù)據(jù)和傳輸應(yīng)答數(shù)據(jù)之間的等待時(shí)間，指令代碼對(duì)于不同的運(yùn)行指令有不同的數(shù)據(jù)，總和校驗(yàn)碼是由被校驗(yàn)的ASCII數(shù)據(jù)的總和(二進(jìn)制)的最低一個(gè)字節(jié)( 8位) 表示的2個(gè)ASCII數(shù)字(十六進(jìn)制)。變頻器站號(hào)可用十六進(jìn)制在H00和H0F( 站號(hào)0～31)之間設(shè)定。

PLC與變頻器之間采用主從方式進(jìn)行通信，PLC作為主站，變頻器作為從站，PLC通過變頻器上設(shè)置的站號(hào)區(qū)分不同變頻器，變頻器在收到PLC的讀寫命令后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。為了有效正確地建立PLC與變頻器之間的通訊, 必須在變頻器中設(shè)置與通訊有關(guān)參數(shù), 如通訊站號(hào)、通訊速率、停止位長/字長、通訊等待時(shí)間、通訊奇偶校驗(yàn)等，變頻器的參數(shù)通過變頻器的操作面板設(shè)定。變頻器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表2[4]。

需要注意的是，變頻器參數(shù)設(shè)置完畢后，應(yīng)斷電重啟一次，參數(shù)才能生效。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置

5 主要程序說明

通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC 對(duì)變頻器的各種運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)的采集。PLC 程序首先應(yīng)完成FX3U-485-BD通訊適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉(zhuǎn)換和變頻器應(yīng)答數(shù)據(jù)的處理工作[5]。PLC 通訊運(yùn)行程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 PLC 通訊運(yùn)行程序設(shè)計(jì)流程Fig.4 The communication program of PLC

系統(tǒng)的PLC通訊及正轉(zhuǎn)運(yùn)行程序部分見圖5。程序開始，設(shè)置M8161為1，表示為8位數(shù)據(jù)處理模式，如果不設(shè)置則為16位數(shù)據(jù)處理模式。通過指令[MOV H009F D8120]在D8120中設(shè)定通信格式，其中包含有波特率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗(yàn)、停止位和協(xié)議格式等。在本系統(tǒng)中對(duì)D8120設(shè)置為二進(jìn)制0000 0000 1001 1110，即009FH, 即使用RS指令，無起始符和終結(jié)符，波特率為19.2 kbps，2位停止位，偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)長度為8位數(shù)據(jù)，沒有添加和校驗(yàn)碼，采用RS485協(xié)議通訊。通過指令[RS D10 K12 D30 K13]，把通訊數(shù)據(jù)裝到D10開始的連續(xù)單元中。發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址是D10，發(fā)送的字節(jié)數(shù)為12；接收數(shù)據(jù)首地址是D30，接收的字節(jié)數(shù)為13。

[MOV H05 D10]含義為通信請(qǐng)求ENQ。[MOV H30 D11]、[MOV H31 D12]的含義是確定變頻器的站號(hào)為00號(hào)。[MOV H46 D13]、[MOV H41 D14 ]的含義是確定指令代碼為運(yùn)行。[MOV H30 D16]、[MOV H32 D17 ]的含義為正轉(zhuǎn)運(yùn)行。[CCD D11 D100 K7]的含義是將從D11開始的連續(xù)7位寄存器(從D11至D17)中的ASCII代碼作為十六進(jìn)制相加并放入D100。[ASCI D100 D18 K2]的含義是將D100中的數(shù)的后兩位變成ASCII代碼放入到從D18開始的連續(xù)兩位寄存器(即D18、D19)中。[SET M8122]的含義是發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用脈沖執(zhí)行方式[6]。

圖5 PLC通訊及正轉(zhuǎn)運(yùn)行程序部分梯形圖Fig.5 The ladder diagram of the communication and running program

6 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了PLC與多個(gè)變頻器利用RS485通訊的系統(tǒng)設(shè)計(jì), 包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加觸摸屏或組態(tài)等監(jiān)控界面，還可以實(shí)時(shí)對(duì)變頻器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改和監(jiān)控，現(xiàn)場所有的信息都通過RS485進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的數(shù)字化。本系統(tǒng)可應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)數(shù)量較多且分布在相隔較遠(yuǎn)區(qū)域的場合，通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)模擬，系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在工業(yè)控制中有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王研．基于RS485的PLC與變頻器通信實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代機(jī)械，2010(4)：41-43

[2] 劉?。釬X系列PLC與變頻器的RS-485 通信應(yīng)用[J]．PLC&FA，2005(12)：59-62

[3] 邵杰．基于RS-485 的PLC 與變頻器的通訊[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007(7)：92-93

[4] 三菱公司．變頻器FR-A740 使用手冊(cè)[EB/OL]．[2013-12-12].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/23340423.html

[5] 范金玲．基于RS-485的PLC與變頻器的通訊控制[J]．電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2010(6)：170-173

[6] 三菱公司．FX3U編程手冊(cè)[EB/OL]．[2013-12-16].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/22654669.html