基于MODBUS 通訊的電機控制方法探析

馮小雷，王學慧，崔忠信

（河鋼材料技術(shù)研究院，河北 石家莊 050000）

1 前言

隨著智能制造技術(shù)的高速發(fā)展，PLC 自動化控制技術(shù)的作用越來越重要,在線材拉拔生產(chǎn)過程中，使用可編程控制器，對多臺收卷機進行集中控制，通過上位機操控界面對各個收卷機的轉(zhuǎn)速進行分別控制。需要采用基于MODBUS 協(xié)議的通訊連接,實現(xiàn)PLC 對多臺收券機速度的控制,不但節(jié)約了硬件成本,又具有集成化程度高、控制能力強、硬件連接簡單、容易操作等特點。結(jié)合操控界面，使用PLC 與收券機之間的通訊，實現(xiàn)對多臺收卷機的遠程控制和集中控制，同時增強了收券機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,實現(xiàn)故障報警等功能。

2 MODBUS 通信協(xié)議

MODBUS 通信協(xié)議是由美國MODICON 公司推出的基于RS485 總線的通訊協(xié)議。該協(xié)議是一種串行半雙工通信協(xié)議,廣泛采用在工業(yè)控制領域，能夠?qū)崿F(xiàn)不同控制設備之間、控制設備與其他功能設備之間的數(shù)據(jù)通信。通過該協(xié)議,可以將不同廠家的控制設備和智能儀表連成一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),通過上位機對生產(chǎn)設備進行集中控制。

一臺主機設備，可以通過MODBUS 通信協(xié)議連接多臺從機設備，并且順序讀取各個從站設備的數(shù)據(jù)。另外，主機設備還可以直接向從機發(fā)送指令，修改數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對從機設備的完全控制。

本文使用的Modbus RTU 通信模式，2 個十六進制字符組成一條消息報文由。在RTU 通信方式下，消息報文以字符形式進行連續(xù)傳輸，報文中2 個十六進制字符組成1 個字節(jié)，單個字節(jié)包含有1 個起始位、1 個校驗位、8 個數(shù)據(jù)位和1 個停止位。

3 可編程控制器對多臺收卷機的控制

在拉拔線材生產(chǎn)車間，擁有多臺收卷機，實現(xiàn)對不同規(guī)格的拉拔線材產(chǎn)品的收集。對于不同規(guī)格參數(shù)，不同材質(zhì)的成品線材，需要給收卷機匹配不同的轉(zhuǎn)速，這就需要用變頻器來控制每臺收卷機的運轉(zhuǎn)。通過人機界面對變頻器的輸出進行控制和監(jiān)測，從而直觀有效的控制收卷電機的轉(zhuǎn)速?；贛odbus 通訊協(xié)議，構(gòu)建可編程控制器對多臺電機變頻器的控制，從而實現(xiàn)收卷機速度調(diào)節(jié)的自動化。

3.1 收卷機控制系統(tǒng)的構(gòu)建

首先，對于多臺收卷機的操控，采用集散控制的方式，即使用一個安裝在收卷機附近的觸摸屏，對多臺收卷機進行分別控制，給不同的收卷機設定不同的轉(zhuǎn)動速度；HMI 是操作人員與機器之間的畫面接口，HMI 操控界面選用西門子WinCC flexible 組態(tài)軟件進行組態(tài)，用于組態(tài)用戶界面，方便操作和監(jiān)視設備。通過可視化界面，監(jiān)控收卷電機的運行狀態(tài)，并且通過對變頻器參數(shù)進行修改進而控制收卷機的旋轉(zhuǎn)速度。HMI 控制系統(tǒng)主要承擔以下任務：（1）過程可視化；（2）報警并顯示；（3）歸檔報警值和過程值；（4）過程和設備的參數(shù)管理。

采用西門子S7-200 Smart PLC 作為控制系統(tǒng)核心；配有高速處理芯片，擁有較強的數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)處理功能，滿足控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度的要求。S7-200 SMART CPU 模塊本身集成1 個RS485 接口和1 個以太網(wǎng)接口，滿足小型自動化系統(tǒng)設備連接觸摸屏、變頻器第設備的眾多需求。

為了調(diào)整收卷機的速度，需要使用變頻器對收卷電機進行速度控制。變頻器采用匯川技術(shù)公司生產(chǎn)的MD200 系列變頻器，采用書型結(jié)構(gòu)設計的MD200 系列變頻器，該系列變頻器內(nèi)置了輸入濾波器，提高了抗干擾能力。

該系列變頻器配有485 通訊接口，可與Smart PLC直接鏈接，利用MODBUS 通信協(xié)議對變頻器參數(shù)進行讀取和控制?？刂葡到y(tǒng)組成為：HMI 人機界面、可編程控制器、MD200 變頻器（多臺）、收卷電機（多臺）。

3.2 PLC 對多臺變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)控制

可編程控制器，對多臺變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)控制，使用屏蔽雙絞線連接多個變頻器的485 通訊接口，防止環(huán)境中的電磁干擾對信號的傳遞造成影響。

將變頻器的運行模式設置為外部控制，即PLC 使能，通信波特率設置為9600bps。主站程序初始化如圖1 所示，在控制程序上調(diào)用MBUS_CTRL庫文件，將Mode置為1，將CPU 端口分配給Modbus 協(xié)議并啟用該協(xié)議，EN 使能端SM0.0 需要一直保持為1 狀態(tài)，保證主站在每一個掃描周期都能被使能；奇偶校驗參數(shù)(Parity)設置與Modbus 從站設備的奇偶校驗匹配，使用一個起始位和一個停止位，將該參數(shù)設置為0（無奇偶校驗）；由于使用S7-200 Smart PLC 本體集成RS485 通信端口，所以將通信端口Port 設置為0；參數(shù)(Timeout)設為等待從站做出響應的時間，Timeout 值可以為1 ～32767ms 之間。典型值為1000ms，Timeout 參數(shù)應設置得合理，以便從站設備有足夠的時間在所選的波特率下傳輸數(shù)據(jù)；Done為完成標志位，完成初始化其自動置為1；Error 為錯誤代碼，存放在MB1 中，若為0 則代表無錯誤。

另外，PLC 主站程序初始化時，Modbus 地址、站地址、波特率、功能碼、校驗方式、通信數(shù)據(jù)長度等參數(shù)必須和從站通信協(xié)議一致，否則主從站之間無法建立通信。

在變頻器上，設置電機參數(shù)，包括電機的額定電流、額定功率，轉(zhuǎn)速等。由于存在多臺變頻器，在變頻器上設定變頻器的編號，根據(jù)此編號在控制程序上設定變頻器的通訊地址，需要對不同編號的變頻器使用Modbus協(xié)議分別進行參數(shù)讀取和指令控制，從站控制程序段如圖2 從站變頻器Modbus 通訊程序所示。

圖2 從站變頻器Modbus 通訊程序

調(diào)用MBUS_MSG 庫文件。在程序塊中，Slave 為不同變頻器的編號，最多可以有32 臺設備；當EN 端和First 端輸入同時為正電平時，MBUS_MSG 指令會向主站發(fā)出請求。程序在處理請求、等待響應和處理響應的過程時間需要多個PLC 掃描周期，所以EN 輸入必須保持在接通狀態(tài)，直到指令為Done 置1。

由于某個時間內(nèi)只能有一條MBUS_MSG 或MB_MSG2指令處于激活狀態(tài)，采集多個從站需要循環(huán)掃描，這就需要通過控制First 端口的電平來實現(xiàn)。有新請求發(fā)送時，將參數(shù)First 設置為高電平，并保持一個掃描周期。First 輸入以脈沖上升沿檢測為控制條件，當有上升沿信號觸發(fā)的時候，程序發(fā)送一次掃描請求，在程序段中，通過一個定時器程序控制V200.1 的接通，進而得到了觸發(fā)First 端口的上升沿信號。

通過控制VB10 的數(shù)值，控制該程序段是讀取還是寫入數(shù)據(jù)，RW 為1 時，通過PLC 給定變頻器控制參數(shù)，RW 為0 時，讀取變頻器的狀態(tài)參數(shù)；參數(shù)DataPtr 為間接地址指針，指向CPU 中與相關的數(shù)據(jù)的存儲器。對于讀請求，控制程序?qū)ataPtr 值以間接地址指針的形式從Modbus 從站讀取的數(shù)據(jù)的第一個存儲單元。對于寫請求，將DataPtr 設置成為要發(fā)送到Modbus 從站數(shù)據(jù)的第一個存儲單元。通過其他程序段的控制，PLC 讀取多臺變頻器的參數(shù)狀態(tài)或者對多臺變頻器發(fā)出不同的控制指令，控制變頻器的輸出。而變頻器的輸出直接作用于收卷電機，達到了對收卷速度的分別控制。

3.3 收卷電機速度給定

為了控制電機的速度，要精準的控制變頻器的輸出。為了實現(xiàn)對變頻器的控制，需要傳送一個控制命令給變頻器地址Add 40001，若要實現(xiàn)變頻器不同輸出，就需在變頻器Modbus 地址4001 中輸入不同的控制命令，以便于實現(xiàn)不同的性能。例如，變頻器的準備/停止命令符16#047E，正轉(zhuǎn)啟動命令符16#047F，反轉(zhuǎn)啟動命令符16#0C7F。

變頻器的準備停止命令、正向反向點動、故障確認等控制點，都需傳送不同的命令符，以控制變頻器的輸出，變頻器的輸出接到收卷電機上，從而使得收卷電機處于不同的工作狀態(tài)。

電機的速度給定，也即是變頻器的頻率給定。需要給Modbus 從站寫入頻率設定值，查閱MD200 變頻器的運行手冊，變頻器的速度給定通訊地址為1007，MD200 變頻器頻率上限為50Hz，通過計算得每1Hz 為327.68。若以設定頻率運行，設定值通過HMI 傳輸?shù)綄崝?shù)變量VD300，設定值乘以327.68 即為當前設定頻率的十進制實數(shù)值，將此數(shù)值傳送到累加器AC0 中。運用轉(zhuǎn)換模塊將AC0 數(shù)值轉(zhuǎn)換為整數(shù)，存放到VW500，將VW500 中的數(shù)值傳送給變頻器Modbus 速度設定值地址1007 中，完成速度值設定，設計的控制程序如圖3所示。

圖3 速度給定程序設計

同樣，可利用類似的程序段，讀取變頻器的其他狀態(tài)值。如電壓值、電流值等，實現(xiàn)不同運行狀態(tài)設定和監(jiān)控。當需要調(diào)用多個指令讀取變頻器參數(shù)時，或給的變頻器參數(shù)時，各個從站程序同一個掃描周期只能有一個導通，需要輪回讀取和設定，此時，可利用前一個掃描周期讀寫指令的完成標志位，作為使能信號，使能下一個掃描周期的讀寫指令，依次執(zhí)行各個變頻器控制程序段。

4 結(jié)語

上文闡述了基于 MODBUS 通信方式下 PLC 控制多臺電機變頻器的設計和控制方法。在工業(yè)控制領域使用該通信協(xié)議可以方便地將可編程控制器與變頻器組合成工業(yè)通信網(wǎng)絡。由于 MODBUS 通訊協(xié)議在硬件上只需2根導線，簡化了設備的硬件連接?；谠撏ㄓ崊f(xié)議，通過操作界面對多臺收卷機采取集中控制分散管理，簡化了控制流程，提高了生產(chǎn)效率。