PLC與變頻器通訊程序可靠性設(shè)計(jì)

韓迎輝（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

1 引言

交流調(diào)速在工業(yè)中的發(fā)展十分迅速，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、包裝等各個(gè)行業(yè)，在電氣傳動(dòng)控制中已普遍應(yīng)用。

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平提高，對(duì)變頻器的數(shù)據(jù)通訊要求已經(jīng)成為控制系統(tǒng)的必然趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的I/O方式硬接點(diǎn)、D/A輸出控制方式相比較，通訊控制具有硬件連接簡(jiǎn)單、給定精度高、能進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)交換等優(yōu)點(diǎn)。變頻器采用通訊控制可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的電氣傳動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制。

本文結(jié)合涂布生產(chǎn)線放卷裝置的變頻器通訊程序設(shè)計(jì)，為確保變頻器通訊控制的可靠性，必須要綜合考慮到硬件和軟件方面。在硬件系統(tǒng)上可以考慮采用濾波、屏蔽、隔離、接地、增設(shè)終端匹配電阻等措施，此處不再贅述，本文主要闡述PLC通訊程序軟件方面的可靠性設(shè)計(jì)。

2 通訊系統(tǒng)硬件

2.1 變頻器通訊控制系統(tǒng)構(gòu)成

放卷設(shè)備是涂布機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)由A、B雙工位放卷軸和壓緊輥組成。圖1為系統(tǒng)組成框圖：

圖1 通訊控制系統(tǒng)框圖

放卷裝置在卷軸切換時(shí)PLC需將初始卷徑傳給變頻器，變頻器運(yùn)行過程中也要將實(shí)時(shí)卷徑、線速度等參數(shù)反饋給PLC，PLC與變頻器必須采用RS485通訊控制，否則難以實(shí)現(xiàn)放卷控制所需的數(shù)據(jù)傳遞。

放卷裝置的通訊系統(tǒng)硬件配置為：匯川MD330變頻器加RS485通訊卡、可編程控制器采用三菱FX3U PLC外接FX3U-485-BD通訊模塊。

PLC與MD330變頻器通訊硬件接線簡(jiǎn)單，將通訊模塊上的RDA與SDA端子短接，RDB和SDB端子短接，RDA接變頻器485+，RDB接變頻器485－，屏蔽雙絞線接地，根據(jù)需要接駁終端匹配電阻。

3 PLC與變頻器的通訊程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC通訊初始化程序

本系統(tǒng)兩臺(tái)變頻器接入RS485總線，采用以PLC為主站，兩個(gè)變頻器為從站的“單主多從”主從方式控制網(wǎng)。這樣上位機(jī)便能通過RS485通信線和各變頻器信息交換進(jìn)行控制操作。

PLC初始化時(shí)將通訊格式參數(shù)D8120設(shè)置為H0C99時(shí)：即數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，停止位1位，無標(biāo)題符和終結(jié)符，無奇偶校驗(yàn)N，波特率19200bps 。通訊設(shè)置無校驗(yàn)，可以減少硬件上的數(shù)據(jù)通訊攔截，提高通訊響應(yīng)。由于PLC與變頻器距離不遠(yuǎn)，較高的波特率可以減少通訊時(shí)間。

設(shè)置的通信超時(shí)時(shí)間D8129=K1，在D8129中默認(rèn)單位是10ms，所以超時(shí)設(shè)置為10ms。PLC與變頻器的通訊參數(shù)應(yīng)當(dāng)一致，其中通訊地址不能重復(fù)。PLC初始化程序如圖2所示：

圖2 初始化梯形圖

3.2 通訊程序流程結(jié)構(gòu)

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不可避免的存在各種干擾，通訊過程中也可能受到強(qiáng)烈干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，所以必須對(duì)RS485發(fā)送和接收的通訊過程進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為提高通訊的可靠，需要設(shè)計(jì)合理的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.3 合理安排通訊過程

本文涉及的PLC與MD330變頻器總共有6個(gè)通訊數(shù)據(jù)：A/B軸初始卷徑、A/B軸實(shí)際卷徑、A/B軸線速度。如何合理安排好這些數(shù)據(jù)的通訊收發(fā)，是關(guān)鍵要素，否則會(huì)影響通訊的可靠性。

（1）通訊數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和次序

圖3 通訊程序結(jié)構(gòu)框圖

A/B軸實(shí)際卷徑、A/B軸線速度這4個(gè)數(shù)據(jù)要不斷的定時(shí)輪詢，而A/B軸初始卷徑這2個(gè)數(shù)據(jù)是不定期的隨機(jī)通訊，但這2個(gè)數(shù)據(jù)的通訊優(yōu)先級(jí)比輪詢數(shù)據(jù)要高。

PLC采用定時(shí)輪詢的方法輪流讀取4個(gè)數(shù)據(jù)：可以設(shè)定一個(gè)時(shí)間周期，每隔0.1秒進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)的讀取，通訊波特率是19200bps，經(jīng)過示波器測(cè)量通訊波形分析在此波特率下，PLC發(fā)一幀8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)所需小于5ms，考慮到變頻器接收、處理、回送數(shù)據(jù)及通訊延時(shí)，每次這樣的完整收發(fā)過程應(yīng)不大于20ms左右,間隔時(shí)間正常情況下是完全足夠的。要注意下位機(jī)一般不會(huì)立即響應(yīng)，理論上19.2K的波特率下收發(fā)周期10ms，實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)。

輪詢的定時(shí)間隔不宜過小，只要滿足生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)更新要求即可，不需要過分追求數(shù)據(jù)更新速度。這樣的定時(shí)輪詢?cè)诳垢蓴_方面是有明顯效果的，因?yàn)樵?.1秒的間隔時(shí)間內(nèi)，只有約20ms時(shí)間在雙向數(shù)據(jù)通訊，其他約80ms時(shí)間是通訊休眠沉默期，這樣通訊受到干擾的幾率大大降低，有效的提高了通訊的安全可靠性。

（2）定時(shí)輪詢梯形圖

數(shù)據(jù)輪詢的次序也不能忽視，經(jīng)實(shí)際通訊測(cè)試，同一地址的不同數(shù)據(jù)訪問不宜連續(xù)，可以交替訪問：先讀取A軸卷徑，然后讀B軸卷徑，再讀A軸線速度，最后讀B軸線速度。這種方法比連續(xù)讀取A軸2個(gè)數(shù)據(jù)，再連讀B軸2個(gè)數(shù)據(jù)，通訊更可靠。因?yàn)?，連續(xù)讀取A軸數(shù)據(jù)時(shí)，前后通訊數(shù)據(jù)幀中的地址碼不變，反而容易產(chǎn)生通訊錯(cuò)誤。圖4為定時(shí)輪詢梯形圖。

（3）輪詢之外的隨機(jī)通訊

在PLC正常輪詢A/B放卷軸的過程中，會(huì)隨機(jī)性的要求設(shè)定A/B軸的初始卷徑，必須要合理安排這2個(gè)隨機(jī)通訊數(shù)據(jù)的要求。既不能等太久時(shí)間，否則影響控制的實(shí)時(shí)性要求，但也不能在當(dāng)前輪詢通訊數(shù)據(jù)未完成的情況下立即響應(yīng)，導(dǎo)致通訊效率降低。

圖4 定時(shí)輪詢梯形圖

當(dāng)要求傳送隨機(jī)的初始卷徑時(shí)，如果當(dāng)前輪詢的數(shù)據(jù)通訊未完成，必須等當(dāng)前輪詢的數(shù)據(jù)通訊結(jié)束后，打斷下一個(gè)輪詢通訊立即發(fā)送初始卷徑，只有等初始卷徑發(fā)送給變頻器完成后才能繼續(xù)開始輪詢。本文提出了一種通訊插隊(duì)方法，梯形圖如圖5所示：

圖5 隨機(jī)通訊梯形圖

程序中增加了寫A、B軸初始卷徑命令輔助繼電器M150、M160，一旦M150或M160有效，會(huì)立即終止正常的定時(shí)輪詢通訊，但不能打斷當(dāng)前尚未完成正在進(jìn)行的某個(gè)定時(shí)輪詢通訊，必須要等當(dāng)前的輪詢通訊完成后，才能立即進(jìn)行插隊(duì)的通訊任務(wù)。M150、M160與輪詢的M92、M95、M300、M320是互斥的。當(dāng)然，要插隊(duì)的2個(gè)通訊任務(wù)彼此間也是互斥的。

（4）通訊時(shí)序圖

圖6是PLC在19200bps發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的通訊時(shí)序圖，在編程時(shí)務(wù)必注意通訊時(shí)長(zhǎng)和間隔，否則無法正常和下位機(jī)變頻器進(jìn)行RS485通訊。

通過PLC編程自測(cè)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)大致需要5ms左右，與示波器測(cè)量相似。

3.4 PLC與變頻器的通訊程序

通訊雙方遵照相同的總線協(xié)議。每幀數(shù)據(jù)格式為：地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、所需數(shù)據(jù)、CRC效驗(yàn)碼等。利用三菱PLC的RS指令無協(xié)議通訊編程可實(shí)現(xiàn)MODBUS RTU協(xié)議的通訊。

RS指令能實(shí)現(xiàn)RS485串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其指令格式為[RS S m D n]，數(shù)據(jù)格式在D8120中設(shè)定。RS指令的編程標(biāo)志位M8122為發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志、M8123是接收處理完標(biāo)志。其中M8122發(fā)送啟動(dòng)僅需置位一次，但RS指令需要驅(qū)動(dòng)直至發(fā)送和接收都完成。發(fā)送完成后M8122會(huì)自動(dòng)清零，接收完成或超時(shí)溢出則M8123會(huì)置位。處理完接收數(shù)據(jù)后，軟件需對(duì)M8123及時(shí)清零。

圖6 一幀數(shù)據(jù)通訊時(shí)序圖

在一次完整的通訊過程中，RS指令必須保持一直有效，直至發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完成。在接收數(shù)據(jù)的過程中，如在D8129指定的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)接收，則超時(shí)標(biāo)志M8129變?yōu)镺N，表明接收異常結(jié)束，則M8123置位。

根據(jù)MD330變頻器的MODBUS通訊協(xié)議要求，設(shè)計(jì)針對(duì)該協(xié)議的通訊程序流程。合理的軟件算法保證了PLC和MD330變頻器準(zhǔn)確無誤的傳遞數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)的PLC通訊程序流程圖7所示：

圖7 PLC通訊程序流程圖

PLC發(fā)送一幀通訊數(shù)據(jù)的梯形圖如圖8所示：

圖8 發(fā)送通訊數(shù)據(jù)梯形圖

通訊程序中M98輔助繼電器的作用是將通訊指令RS執(zhí)行時(shí)間延后一個(gè)掃描周期，使前后2幀數(shù)據(jù)通訊過程有短暫間隔時(shí)間，防止前后數(shù)據(jù)幀在線路上的重疊碰撞，保證通訊的可靠性。M93為發(fā)送限制，防止M8122一直為ON，導(dǎo)致通訊出錯(cuò)。

程序增加了通訊限時(shí)定時(shí)器T70，延時(shí)時(shí)間是0.2秒，其作用是防止當(dāng)前通訊任務(wù)失敗后，PLC能自動(dòng)退出該訪問數(shù)據(jù)部分的通訊，及時(shí)訪問其他設(shè)備，不至于產(chǎn)生通訊卡阻死鎖現(xiàn)象。通過示波器實(shí)際測(cè)量，在變頻器無應(yīng)答的情況下，PLC每隔200ms輪流發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，不會(huì)停頓在某一處，進(jìn)一步提高了通訊的容錯(cuò)能力。圖9為實(shí)測(cè)通訊無響應(yīng)波形：

圖9 通訊輪詢實(shí)測(cè)波形

注意PLC每次都要在發(fā)送數(shù)據(jù)前明確的給所有的被發(fā)送的數(shù)據(jù)賦值，盡量不要利用初始化脈沖對(duì)有的數(shù)據(jù)僅一次性賦值，以后每次通訊不再賦值，這樣會(huì)給通訊帶來隱患，在強(qiáng)干擾環(huán)境下，PLC的內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器可能會(huì)受到干擾，導(dǎo)致初始化賦值更改，致使通訊出錯(cuò)。

某些應(yīng)用場(chǎng)合，甚至要求PLC對(duì)通訊接收到的數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)存，同時(shí)將直接收到的數(shù)據(jù)清空。可以說，這種方式的接收數(shù)據(jù)，也可以提高通訊的質(zhì)量。

4 通訊可靠性附加設(shè)計(jì)

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，PLC和變頻器數(shù)據(jù)通訊完成后，為保證通訊的可靠有效，除了設(shè)計(jì)合理的通訊流程結(jié)構(gòu)和程序外，還必須對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的通訊檢驗(yàn)、故障自檢以及其他附加措施。

（1）通訊數(shù)據(jù)校驗(yàn)

本文提出的校驗(yàn)方法如下：對(duì)通訊的地址碼和校驗(yàn)碼均進(jìn)行驗(yàn)證，通過雙重校驗(yàn)合格的數(shù)據(jù)才會(huì)接收下來被采信，參與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。否則，未通過校驗(yàn)的數(shù)據(jù)被丟棄。

圖10 通訊數(shù)據(jù)校驗(yàn)梯形圖

通過塊比較指令BKCMP，先對(duì)接收到的地址碼D110、D111這2個(gè)寄存器和先前RS指令發(fā)送出去的目標(biāo)地址碼D100、D101進(jìn)行比對(duì)，如果相同表明通訊接收到的地址正確無誤，如果地址碼不對(duì)，說明通訊出錯(cuò)，本次接收到的數(shù)據(jù)無效。地址碼核對(duì)無誤后，PLC再對(duì)接收到的前6個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算CRC校驗(yàn)碼，PLC計(jì)算出的CRC效驗(yàn)碼和通訊線路實(shí)際收到的CRC效驗(yàn)碼進(jìn)行比較，如果一致，說明本次收到的數(shù)據(jù)是完全正確的。

只有通過地址和CRC碼比對(duì)后的數(shù)據(jù)才進(jìn)行后續(xù)處理，這樣有效的保證了PLC與變頻器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊的可靠性，極大的降低了通訊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

（2）通訊故障檢測(cè)

在PLC程序設(shè)計(jì)中，增加了通訊故障報(bào)警信號(hào)。思路是：如果每個(gè)通訊任務(wù)都能正常通訊，在1秒時(shí)間內(nèi)，均能執(zhí)行幾次，設(shè)置一個(gè)通訊指示繼電器，每次正常通訊后，對(duì)其進(jìn)行取反，這樣通訊指示繼電器應(yīng)該是一個(gè)交替信號(hào)，對(duì)該繼電器進(jìn)行判斷，如果不是交替信號(hào)，說明通訊故障，可發(fā)出通訊故障報(bào)警信號(hào)。

另外，還可以利用PLC自身提供的通訊輔助標(biāo)志位M8128、M8129進(jìn)行通訊診斷編程。

（3） 自動(dòng)多次握手

如果有個(gè)別通訊數(shù)據(jù)非常重要，可以設(shè)計(jì)一次通訊失敗后自動(dòng)再次發(fā)起主動(dòng)握手通訊，達(dá)到一定時(shí)間或次數(shù)仍然無法通訊就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。自動(dòng)握手次數(shù)也可根據(jù)需要設(shè)定，但不宜過多，否則影響其它數(shù)據(jù)的通訊。

5 結(jié)論

由于通訊程序的設(shè)計(jì)采用了多種可靠性措施，使PLC與變頻器在復(fù)雜的涂布機(jī)工業(yè)環(huán)境下，能夠正常傳遞各種數(shù)據(jù)，保證了通訊數(shù)據(jù)的可靠和正確，提高了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

通過在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況，采用以上方法的變頻器通訊系統(tǒng)能有效的抵抗絕大多數(shù)的干擾，剔除受到干擾的非正常數(shù)據(jù)，高效地保證了通訊過程的正常可靠，下位機(jī)出現(xiàn)故障也能診斷出并能忽略該故障，不會(huì)影響其它數(shù)據(jù)通訊。

該通訊軟件程序經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，得到了涂布機(jī)設(shè)備制造商和運(yùn)行企業(yè)的認(rèn)可。本文闡述的技術(shù)方法在變頻器通訊應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域具有很好的技術(shù)推廣價(jià)值。

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