ModBus通信技術在無地坑緩沖送料系統(tǒng)中的應用

梁文宏，李明鑒，高超佳

（1.西安工業(yè)大學，陜西西安 710028；2.長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

0 引 言

送料機構(gòu)、開卷機構(gòu)是連續(xù)型自動化設備常見的輔助設備之一，在軋鋼機、剪切機、卷曲機和分切機等設備中廣泛使用。常見的送料機構(gòu)包括開環(huán)和閉環(huán)兩種模式：開環(huán)送料機構(gòu)通常是電機的轉(zhuǎn)速恒定、送料的速度由上下兩個限位光點開關控制，上限位光電開關檢測到料帶時，送料電機開始旋轉(zhuǎn)，下限位光電開關檢測到料帶時，送料電機停止旋轉(zhuǎn)[1-2]。閉環(huán)送料機構(gòu)通常送料電機由變頻器控制轉(zhuǎn)速，采用PID 算法，反饋檢測包括張力檢測[3]、線速度檢測[4]和卷徑檢測[5]三種主要方式，涉及壓力、速度、距離等不同的物理量。

針對送料電機的PID 閉環(huán)控制技術，傳統(tǒng)控制方案使用模擬量輸出功能的傳感器配合主控PLC 或變頻器實現(xiàn)其功能[6]，但實際使用中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，中高頻干擾多，線槽走線時動力線和控制線不好分離，因此傳感器輸出模擬量信號和變頻器速度輸入模擬量信號在傳送中存在擾動問題，嚴重影響了中高速PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

近年來，隨著通信數(shù)字和數(shù)字抗干擾技術的發(fā)展，數(shù)字化技術的使用推廣迅速，很多傳感器和工業(yè)設備具備了工業(yè)總線通信控制的能力，其中ModBus 通信、CANOpen 通信以及ProfiBus 通信使用較多。本文采用ModBus 通信方式完成傳感器采樣和變頻器PID 閉環(huán)控制的工作，性能良好[7]。

1 緩沖送料傳動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本文涉及的緩沖送料系統(tǒng)是特大型變壓器橫剪線無地坑緩沖送料系統(tǒng)的一部分，包括換料機構(gòu)、張緊機構(gòu)和送料機構(gòu)三個功能組件，其中送料系統(tǒng)的運動原理圖如圖1 所示。送料速度不大于100 m/min，片長范圍為100～500 mm，料帶寬度為50～500 mm，料帶質(zhì)量為15～350 kg。采用常規(guī)設計方法，估算張緊系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)角加速度、摩擦系數(shù)等計算加速轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，選擇電機后根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和技術指標確定減速比，計算齒輪模數(shù)齒數(shù)、軸頸尺寸、軸承壽命等。

圖1 送料系統(tǒng)運動原理圖Fig.1 Principle diagram of motion of feeding system

送料機構(gòu)：電機經(jīng)過減速機帶動張緊機構(gòu)，張緊機構(gòu)外套料卷，送料電機旋轉(zhuǎn)，料帶同步旋轉(zhuǎn)，送料機構(gòu)保證剪切時料帶能充分供應。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)選型

常見控制系統(tǒng)主要包括單片機、PLC、工控機三種主要控制核心，綜合考慮適用性、經(jīng)濟性、抗干擾、維修保養(yǎng)方便和節(jié)能環(huán)保性等方面的特點，系統(tǒng)采用PLC 作為控制核心設計送料電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)設計框圖Fig.2 Block diagram of design of control system

控制系統(tǒng)采用永宏FBS 系列PLC FBS-20MA 為控制核心，配備FBS-CB55 擴展2 路RS 485 通信模塊，PLC編程口與維綸MT6071IE 觸摸屏通過RS 232 通信方式完成人機交互。送料系統(tǒng)采用安川E1000 系列變頻器控制普通三相異步電機，變頻器實現(xiàn)送料速度的無極調(diào)速，安川E1000 系列變頻器內(nèi)置ModBus 通信協(xié)議，與PLC 通過RS 485 總線連接，實現(xiàn)通信控制。配備一只超聲波測距傳感器，檢測鋼帶與傳感器安裝面之間的距離，檢測信號通過RS 485 總線連接，使用ModBus 通信模式輸入PLC 并完成閉環(huán)PID 控制。控制系統(tǒng)主要器件型號如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)主要器件型號Table 1 Models of main devices in control system

PLC 閉環(huán)控制理論采用常規(guī)的PID 控制，控制框圖如圖3 所示，式（1）為傳遞函數(shù)，包括比例Kp、積分Ki和微分Kd三個參數(shù)[8]。

2.2 Modbus 通信

Modbus 協(xié)議是一種已廣泛應用于工業(yè)控制領域的通信協(xié)議。使用主從通信技術，由主控設備方（Master）主動查詢和操作從設備（Slave）[9]。典型的主從設備包括工控機、工業(yè)控制器、PLC 可編程控制器等。Modbus通信物理接口多選用串口RS 485 或以太網(wǎng)口[10]。

永宏FBS 主機默認的編程口為RS 232，但通過擴展板FBS-CB55 在主機上很容易擴展出2 個RS 485 通信端口，分別對應Port1 和Port2 兩個通信口。本次設計的PLC 作為主控設備，使用PLC 專用編程軟件WinProLadder 進行軟件設計，聯(lián)機狀態(tài)下，在PLC-設定中選擇對應的通信口，彈出通信口設定對話框，依次選擇波特率、資料位數(shù)、停止位數(shù)和同位檢查，具體設定參數(shù)如表2 所示。

除PLC 的設定外，安川變頻器也要設定與PLC 相應的通信參數(shù)，包括站號（從站）、波特率和校驗位，另外必須將頻率給定控制對應的參數(shù)設定為通信給定，具體參數(shù)設定內(nèi)容如表3 所示，其余變頻器參數(shù)根據(jù)設計用途進行規(guī)劃。

完成變頻器和PLC 的設定后進行程序的編寫，永宏PLC 提供了人性化的編程方案，首先在專案中增加Modbus 表格，表格名稱任取，表格起始地址一般放到R5000 寄存器之后，不能和其他表格地址沖突，其次直接確定需要讀取或?qū)懭氲膯卧刂?。圖4 所示為PLC從變頻器讀取數(shù)據(jù)，變頻器站號4，讀取從0024H～0027H 單元的4 個數(shù)據(jù)，放入PLC 寄存器D40～D42 單元中，數(shù)據(jù)起始位置的特點是要將變頻器的16 進制單元地址轉(zhuǎn)化為10 進制地址，同時地址數(shù)加1，如16 進制0024H 轉(zhuǎn)化為10 進制為36，再加1 為37，所以仆站數(shù)據(jù)起始地址為0037。

圖4 PLC 向變頻器寫入數(shù)據(jù)設定圖Fig.4 Diagram of setting of read-in data to inverter by PLC

圖5 所示為PLC 向變頻器寫入頻率的設定，4 為變頻器的站號，寫入1 個字，將PLC 的寄存器D0 中的數(shù)據(jù)寫入變頻器0002 單元，此時注意仆站數(shù)據(jù)起始左側(cè)要填入數(shù)40 表明寫入的是字型數(shù)據(jù)。

通信程序如圖6 所示，編寫好通信表格后，只需在PLC 程序中增加150 號指令就可以完成通信功能，其通信功能相對獨立，不影響其他任何處理程序。

2.3 通信故障及解決

通信設備在實際應用中一樣會遇到干擾問題，在現(xiàn)場出現(xiàn)過廠區(qū)高壓電干擾、動力線纜干擾、環(huán)境腐蝕、雷擊、瞬時斷電等各種問題。

圖5 PLC 讀取安川變頻器數(shù)據(jù)設定圖Fig.5 Diagram of setting of reading data of Yaskawa frequency inverter by PLC

圖6 PLC 通信程序Fig.6 Communication program of PLC

為保證通信質(zhì)量，應做好以下防護和措施：通信電纜選擇質(zhì)量較好的雙絞屏蔽線，且連接中不要有拼接；電纜盡量不要和動力線布置在一個線槽或地溝中，不要直接鋪設在地溝底部以防止電纜在地溝內(nèi)泡水及低溫凍裂；PLC 和變頻器都自帶終端電阻，在使用串接方式連接通信線時，只在通信線首尾節(jié)點連接終端電阻；PLC 和變頻器良好接地能有效減少通信干擾；最后，供電電源應具備穩(wěn)壓裝置和防雷擊設備，否則有可能出現(xiàn)損壞通信設備的問題。

3 結(jié) 論

本文針對特大型變壓器剪切線采用的無地坑緩沖送料系統(tǒng)，提出一種數(shù)字化解決方案，即PLC 采用ModBus 通信方式從傳感器讀取數(shù)據(jù)，進行PID 閉環(huán)控制后又通過ModBus 通信方式控制變頻器的頻率，調(diào)節(jié)送料電機轉(zhuǎn)速，達到實時和精確調(diào)整的目的。

數(shù)字化ModBus 通信的使用解決了以下幾個問題：解決了原來PID 中模擬量傳輸干擾和零漂大的問題；通信模塊替代了A/D，D/A 模塊，送料電機的電流、頻率、功率都得到了監(jiān)控，系統(tǒng)性價比有明顯提升；機柜內(nèi)部和現(xiàn)場的配線、施工工作量有明顯減小。