基于Modbus通訊協(xié)議的輻照加速器束下傳輸系統(tǒng)設計

尹 政，李學先

(北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120)

0 引言

輻照用行波電子直線加速器主要用于食品、農(nóng)副產(chǎn)品、衛(wèi)生用品的消毒殺菌、殺蟲等工藝處理，具有占地小、效率高、安全可靠的特點。束下傳輸系統(tǒng)是輻照加速器的重要組成部分，是連接輻照裝置高放射區(qū)和人工操作非放射區(qū)的紐帶[1]。該系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在兩個方面：一是可使工作人員和輻射區(qū)域安全、徹底的隔離，是重要的安全措施；二是束下傳輸系統(tǒng)的合理設計、控制和運行可以保證高能電子束具有較高的能量利用率，實現(xiàn)大批量連續(xù)加工，提高生產(chǎn)效率[2]。

1 設計要求

1) 輻照區(qū)在傳輸線左側(cè)，為勻速區(qū)域，在傳輸線上合理布置了11臺電機，保證受照產(chǎn)品能夠勻速平穩(wěn)通過輻照區(qū)域，受照劑量均勻；

2) 變頻器變頻調(diào)速。輻照區(qū)域內(nèi)根據(jù)產(chǎn)品種類調(diào)整速度，其他部分速度根據(jù)人工上下料速度進行調(diào)節(jié)，使進入輻照區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)品排列緊密且能獲得合適的照射劑量，提高輻照射線的利用率；

3) 進料區(qū)在傳輸線右側(cè)，有180°翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，滿足受照物品在束下循環(huán)照射及上下?lián)Q面輻照的要求。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)不用時可隱藏或停止，不影響物料直通，翻轉(zhuǎn)采用十字叉電機帶動進行2次90度翻轉(zhuǎn)；

4) 為防止射線對材料的損傷，輻照區(qū)不得含有任何非金屬材料，包括輥子和電機，變頻器及電機放置在輻照區(qū)以外。照射區(qū)段不帶可升降功能，但照射區(qū)正下方預留100cm～150cm的間隙，以防電子束直接轟擊傳輸鏈條；

5) 根據(jù)廠房實際要求，設計的傳輸線方案如圖1所示。

圖1 傳輸線整體方案圖

2 硬件介紹

2.1 變頻器

選用臺達VFD-EL系列變頻器作為電機驅(qū)動器。臺達變頻器廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域，具有高功率體積比、品質(zhì)卓越、能針對不同行業(yè)開發(fā)專用產(chǎn)品的特點；同時，該變頻器具有RS485接口，支持包括Modbus協(xié)議在內(nèi)的多種通訊協(xié)議，提供了軟件上的協(xié)議和硬件上的物理接口，從而為低成本高性能的通訊控制的實現(xiàn)打下了良好基礎[3]。由于串行通訊指令要遵守特定的指令格式和進行復雜的校驗計算，比較繁雜，因此本設計利用Modbus通訊指令實現(xiàn)PLC和變頻器的通訊。

2.2 通訊線

西門子PLC的通訊口為DB9接口，使用3、8引腳；臺達變頻器為RJ45接口，又稱為水晶頭，使用4、5引腳。接線方法為DB9的3腳接RJ45的5腳，DB9的8腳接RJ45的4腳。11臺變頻器并聯(lián)接在一起。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)圖

束下傳輸系統(tǒng)是輻照加速器系統(tǒng)的一部分，其監(jiān)控功能通過一臺西門子S7-200系列PLC實現(xiàn)。該PLC有兩個通訊口，其中一個通過RS485協(xié)議和兩臺觸摸屏通訊，實現(xiàn)對加速器和束下系統(tǒng)的控制和狀態(tài)監(jiān)測；另一個通過Modbus-RTU通訊協(xié)議和11臺變頻器通訊，實現(xiàn)對變頻器的控制，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖

3 軟件設計

3.1 Modbus通訊簡介

Modbus是一種應用層協(xié)議，廣泛應用于工業(yè)控制領域。在一根通訊線上使用主從應答式連接（半雙工），信號沿著相反的兩個方向傳輸。在該束下傳輸系統(tǒng)中，將PLC作為主機，變頻器為從機，每個變頻器編入獨立地址，首先，PLC的信號尋址到一臺唯一的變頻器，然后，變頻器發(fā)出的應答信號以相反的方向傳輸給PLC，PLC通過功能碼設置不同的操作請求。變頻器支持廣播方式，廣播地址為00。Modbus協(xié)議只允許在主機和從機設備之間通訊，而不允許獨立的從機之間的數(shù)據(jù)交換。

3.2 Modbus通訊軟件設計

在使用Modbus通訊對變頻器進行監(jiān)控時，需要對變頻器參數(shù)功能所對應的參數(shù)碼進行設置。將主頻率指令和運轉(zhuǎn)指令來源設定為由通訊RS485輸入；將11臺變頻器分別編入1-11號唯一地址；波特率設定為19200b/s；通訊資料格式設為8,E,1 for RTU，即Modbus-RTU通訊模式。

Modbus協(xié)議可使用ASCII或RTU兩種編碼資料。ASCII編碼是將所要傳送的資料先轉(zhuǎn)化成相對的ASCII碼后再傳送，而RTU則是資料直接傳送，不經(jīng)過轉(zhuǎn)化[4]。本系統(tǒng)采用Modbus-RTU資料格式，其字符框架如表1所示。

表1 Modbus-RTU字符框架

使用西門子STEP7-MicroWIN SP9編程軟件進行控制程序編寫。需要添加的庫文件Toolbox_V32-STEP7-Micro-WIN32-Instruction-Library。為了便于程序的修改和閱讀，將束下控制部分作為子程序?qū)懭爰铀倨骺刂瞥绦虻闹鞒绦蛑?。Modbus-RTU模式的通訊資料格式框如表2所示。

表2 Modbus-RTU通訊資料格式框

在束下控制程序中，采用循環(huán)方式對11臺變頻器進行控制、運行狀態(tài)采集和故障監(jiān)測，程序的運行順序為1號變頻器頻率讀取、電壓讀取、電流讀取、IGBT溫度讀取、故障讀取、頻率設定、啟?？刂?；接著是2號變頻器，3號變頻器…11號變頻器，然后再回到1號變頻器。每一項任務完成后的標志位，作為下一項任務開始的控制位，以此實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)控。

在輻照加速器控制主程序中，加入輻照加速器與變頻器的故障聯(lián)鎖功能。一方面，當一個或多個變頻器出現(xiàn)故障時，加速器會停止工作，防止受照產(chǎn)品因過度輻射而質(zhì)量受損；另一方面，當加速器故障時，傳輸系統(tǒng)也應立即停止運行，以保證受照產(chǎn)品能接受到足夠的輻照劑量。

3.3 監(jiān)控界面設計

為了方便操作人員在現(xiàn)場進行參數(shù)設置和故障監(jiān)測，使用WinCC flexble西門子觸摸屏組態(tài)軟件設計監(jiān)控畫面，根據(jù)束下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能將其分為束下控制、狀態(tài)采集、故障監(jiān)測三個子畫面。

束下控制界面如圖3所示。該界面顯示了11臺由變頻器控制的電機所在傳輸線的大體位置及其編號?？稍O置1-11號變頻器的輸出頻率；單獨或同時控制各變頻器的啟動、停止；當變頻器出現(xiàn)故障時，對應的故障燈會報警，可鏈接到變頻器狀態(tài)采集或故障監(jiān)測界面查找相應變頻器的工作狀態(tài)和故障點。

圖3 監(jiān)控界面

狀態(tài)采集界面如圖4所示。可監(jiān)測1-11號變頻器的輸出頻率、輸出電壓、輸出電流和IGBT溫度等變頻器的主要運行參數(shù)。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測界面

故障監(jiān)測界面如圖5所示?？杀O(jiān)測1-11號變頻器所對應的過電流、過電壓、IGBT過熱、驅(qū)動器過載、電機過載、對地短路、電源欠相、硬件異常、過熱保護等故障，當故障出現(xiàn)時，對應的故障燈變?yōu)榧t色。

圖5 故障監(jiān)測界面

4 結(jié)束語

該束下傳輸系統(tǒng)較好實現(xiàn)了與輻照加速器的匹配，實現(xiàn)了受照物品的勻速傳輸、循環(huán)受照、速度調(diào)整等控制過程?，F(xiàn)場運行實踐表明，該系統(tǒng)滿足輻照加速器對工業(yè)化輻照加工的特殊要求，運行穩(wěn)定安全可靠，提高了生產(chǎn)效率。但限于技術(shù)、硬件等方面的限制，仍存在一些不足，主要有以下三個方面。

1) 由于PLC的兩個通訊口均被占用，在設備調(diào)試以及故障檢查時，不能對PLC程序進行實時監(jiān)控。

2) 在使用Modbus通訊控制時，通訊協(xié)議可發(fā)送的最大單筆數(shù)據(jù)位16bit（字），觸摸屏輸入輸出域若出現(xiàn)小數(shù)，數(shù)據(jù)類型需為REAL型（32Bit，雙字），所以，若頻率控制精度要求不高，觸摸屏最小可調(diào)精度為1Hz。

3) 本傳輸系統(tǒng)布置了11臺電機驅(qū)動傳輸線運動，由于傳輸線左側(cè)為輻照區(qū)，不能放置電機，且左側(cè)兩端為彎道，使得受照產(chǎn)品在進入輻照區(qū)域時不能緊密的排列在一起，降低了工作效率。

[1] 李長久,蔡文軒.基于PLC的高能電子輻照加速器束下傳輸控制系統(tǒng)[J].承德石油高等專科學校學報,2008,10(2):21-24.

[2] 于濤,梁石強,尹遠淑,等.輻照工作場所改造中的輻射防護與質(zhì)量控制[J].同位素,2005,(3):63-66.

[3] 趙雅.臺達變頻器和PLC通訊功能的實現(xiàn)方法[J].變頻器世界,2009(4):81-84.

[4] VFD-EL型臺達變頻器使用手冊[Z]2005:69-78.