ACS510變頻器的Modbus通信控制

徐小品

（溫州職業(yè)技術(shù)學院電氣電子工程系，浙江 溫州325000）

0 引言

通用變頻器廣泛應(yīng)用于風機、水泵的節(jié)能調(diào)速，其調(diào)速方式有本地控制盤、外部模擬量調(diào)節(jié)、I/O設(shè)置多段速、通信控制等方法[1]。化工、冶金、電力等行業(yè)，為了降低人力成本、改善惡劣的工作環(huán)境，并提升對設(shè)備的管理能力，對設(shè)備的遠程操作、無人值守的功能有迫切的需求。基于總線通信方式控制變頻器，便于接口擴展，簡化了控制線路的接線，可實現(xiàn)對設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)和參數(shù)實時測控，可以很好滿足這方面的需求。為此，本項目針對ABB的ACS510變頻器研究了遠程測控操作的實現(xiàn)方法。設(shè)計方案采用了WinCS 組態(tài)軟件和PM683 控制器，并利用Modbus總線通信協(xié)議，以實現(xiàn)變頻器的遠程測控。

WinCS控制系統(tǒng)是ABB盈控公司推出的面向混合自動化控制的過程控制系統(tǒng)，融合了傳統(tǒng)DCS和PLC優(yōu)點于一體，并支持多種現(xiàn)場總線標準，在化工、冶金、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。

控制器PM683是CPU模件，在WinCS系統(tǒng)中作為過程站使用，含有支持Modbus協(xié)議的485端口，波特率設(shè)置范圍為300～384 000 位/s。

ACS510系列變頻器的輸入電壓為380～480 V，輸出功率范圍為1.1～110 kW，輸出頻率范圍為0～500 Hz，內(nèi)置支持Modbus協(xié)議的總線接口，可與PM683內(nèi)置的Modbus接口之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1 原理

Modbus通信特點：主/從方式，網(wǎng)絡(luò)中只有一個主設(shè)備，采用查詢-回應(yīng)方式進行，由主設(shè)備初始化系統(tǒng)通信設(shè)置，并向從設(shè)備發(fā)送消息，從設(shè)備接收消息后響應(yīng)主設(shè)備的查詢或根據(jù)主設(shè)備的消息作出相應(yīng)的動作。

Modbus系統(tǒng)中有兩種傳輸模式：RTU和ASCII，其中RTU模式傳輸效率高，是一種較為理想的通信協(xié)議，是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)化協(xié)議[3-4]。多數(shù)Modbus通信設(shè)備通過串口485物理層進行，最多可以接入32個節(jié)點設(shè)備（含一個主站）。

圖1是控制系統(tǒng)框圖。上位機作為工程師/操作員混合站和PM683控制器之間采用以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)程序下載和畫面監(jiān)控實時通信。控制器PM683和ACS510變頻器485端口之間通過雙絞屏蔽電纜連接，PM683作為Modbus通信的主設(shè)備，ACS510變頻器作為從設(shè)備使用。

Modbus協(xié)議的傳輸內(nèi)容包括設(shè)備地址（站點號）、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC循環(huán)冗余校驗碼。在WinCS軟件中，采用FBD塊編程時只需設(shè)置前3項內(nèi)容，最后一項CRC校驗碼由控制器和總線設(shè)備自動生成。

圖1 控制系統(tǒng)圖

2 變頻器參數(shù)設(shè)置

2.1 通信相關(guān)參數(shù)設(shè)置

表1 變頻器ACS510的Modbus相關(guān)參數(shù)設(shè)定

修改變頻器參數(shù)時，需要先將面板顯示調(diào)到“Par”。與通信有關(guān)的重要參數(shù)具體內(nèi)容如表1所示。應(yīng)注意修改53.xx參數(shù)之后，須重新上電激活參數(shù)。同時，變頻器面板上的本地遠程按鍵應(yīng)設(shè)置為遠程REM模式。

2.2 其他參數(shù)設(shè)置

以3 kW變頻電動機為例，電動機額定值參數(shù)設(shè)置如下：99.05額定電壓為380 V，99.06額定電流為6.58 A，99.07額定頻率為50 Hz，99.08額定轉(zhuǎn)速為2890 r/min，99.09額定功率為3 kW，99.15功率因數(shù)為0.85，最大限制電流為20.03 =12 A。上述參數(shù)必須和電動機銘牌保持一致。ACS510變頻器輸出電壓和輸出頻率保持恒定比例輸出（額定電壓范圍內(nèi)），該比例為99.05和99.07之比。變頻器輸出頻率超過99.07設(shè)定的額定頻率時，輸出電壓將等于額定電壓保持不變。

映射區(qū)設(shè)置如下（變頻器的運行數(shù)據(jù)將依次分別映射到地址為4、5、6、7、8、9、10、11的寄存器中）：53.10=103表示頻率，53.11=104表示電流，53.12=102表示轉(zhuǎn)速，53.13=105表示轉(zhuǎn)矩，53.14=106表示功率，53.15=107表示直流母線電壓，53.16=109表示電壓，53.17=110表示溫度。如果調(diào)整了映射區(qū)的設(shè)置順序，那么相應(yīng)的寄存器地址中保存的項目將發(fā)生改變。

3 WinCS編程步驟

3.1 建項目樹

建立如圖2所示項目樹，通過右鍵插入下一級，建立過程站PS、操作員站OS，并在過程站下插入FBD程序，在操作員站下插入監(jiān)控畫面FGR。

圖2 建項目樹

3.2 建硬件結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在硬件結(jié)構(gòu)目錄HWSYS下，插入過程站W(wǎng)NC680和操作員站W(wǎng)inHMI，并對WNC680和WinHMI進行資源指定，資源名稱與項目樹對應(yīng)。選擇過程站的CPU模件為PM683，在PM683 模件下插入Modbus 主站MODM_DEV，并把主站參數(shù)設(shè)置為RTU格式、RS485模式、波特率19 200 位/s、停止位1位、無奇偶校驗。Modbus主站參數(shù)應(yīng)該和變頻器的通信參數(shù)完全一致。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3.3 配置網(wǎng)絡(luò)

分配工程師站、操作員站、過程站的IP地址和資源ID號[5]，如表2所示。網(wǎng)絡(luò)配置表的IP地址、資源ID號應(yīng)與WinAdmin的設(shè)置、電腦IP地址、PM683的IP地址對應(yīng)，且每種資源的ID號應(yīng)是唯一。

3.4 FBD塊編程

通過查詢ACS510的Modbus技術(shù)協(xié)議地址表，獲得變頻器啟動、停止、轉(zhuǎn)速給定和電動機轉(zhuǎn)速的地址表信息如表3所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)配置

表3 Modbus通信地址表

讀寫線圈與寄存器這些常用的Modbus功能碼在WinCS軟件上有專用的FBD塊[6]。插入與功能碼對應(yīng)的FBD塊，設(shè)置其參數(shù)。功能碼為03（讀取保持寄存器）的FBD塊設(shè)置如圖4所示，表示讓PM683控制器在2號從站的變頻器上讀取6號寄存器。

圖4 FBD塊設(shè)置

ACS510變頻器的最高轉(zhuǎn)速給定值默認為20 000，該數(shù)值對應(yīng)輸出頻率的限制值。因此在進行轉(zhuǎn)速給定的時候需要進行SCAL功能塊的量程轉(zhuǎn)換。以限制值50 Hz為例，轉(zhuǎn)換系數(shù)比為±50：±20 000。轉(zhuǎn)速控制的FBD塊程序如圖5所示，應(yīng)用功能碼06（Modbus寫寄存器）的FBD塊。由于轉(zhuǎn)速的給定值是Real實數(shù)型，應(yīng)變到Word字型，才能被Modbus功能塊接受。為此，應(yīng)經(jīng)過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換塊變?yōu)閕nt整數(shù)型，再經(jīng)過整數(shù)型到字型的轉(zhuǎn)換。當數(shù)據(jù)類型未匹配時，在程序檢查后信號連線將自動變成紅色。

圖5 寫入轉(zhuǎn)速給定值

變頻器的啟動與停止控制程序如圖6所示，采用了功能碼為05（寫線圈）的FBD塊。停止命令和啟動命令共用一個變量“@啟動與停止”，但是停止命令應(yīng)先對輸入變量進行取反操作，圖6中Modbus05-2的W01引腳上的實心黑點表示取反。

圖6 啟動與停止命令寫入

速度的測量如圖7所示，用到了功能碼為03（寫寄存器）的FBD塊。ACS510的轉(zhuǎn)速輸出單位默認是“r/min”，因此不需要量程轉(zhuǎn)換。ACS510變頻器通過Modbus傳輸輸出的速度值，來自變頻器的內(nèi)部計算產(chǎn)生，該信號并未非來自速度傳感器。

3.5 操作員站的監(jiān)控畫面編程

操作員站目錄下插入FGR畫面節(jié)點，如圖8所示，在畫面中設(shè)置操作按鍵并分別關(guān)聯(lián)到程序的啟動和停止變量。速度給定和實測速度的顯示分別關(guān)聯(lián)到對應(yīng)變量。

圖7 讀取電動機轉(zhuǎn)速值

圖8 變頻器轉(zhuǎn)速監(jiān)控畫面

利用趨勢圖可以觀察變頻器、電動機的運行數(shù)據(jù)的歷史變化過程。趨勢數(shù)據(jù)采集的方式多樣，可以在操作員站下插入趨勢節(jié)點，或者在FGR畫面中插入趨勢圖，或者用OPC趨勢服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。一張趨勢圖最多可以顯示6條測量曲線，可分別關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的6個測量變量。以趨勢節(jié)點插入的方式為例，其實現(xiàn)步驟如下：在FBD程序中插入趨勢采集塊（含標簽名設(shè)置），將趨勢采集塊的輸入信號連接到某個待觀測的變量。然后在操作員站下插入趨勢節(jié)點，設(shè)置參數(shù)時選中“使用采樣功能塊”，然后輸入相應(yīng)的趨勢塊的標簽名。為了能在實際運行中觀測到趨勢曲線，還需在WinAdmin窗口中把計算機的運行時鐘和過程站的時鐘設(shè)置為“允許時間同步”。由于過程站的IP地址尾號小于計算機的IP地址，當開啟“時間同步”并加載程序后，計算機的系統(tǒng)時間將發(fā)生變化，與過程站的內(nèi)部時鐘自動保持統(tǒng)一。這種方式記錄的變頻器運行數(shù)據(jù)曲線，默認為5 s更新一次。

4 結(jié)語

WinCS系統(tǒng)的FBD塊編程語言是一種便捷的編程語言，結(jié)合Modbus通信協(xié)議，可實現(xiàn)對ACS510變頻器的遠程操控、數(shù)據(jù)實時監(jiān)視。編程過程中，應(yīng)該注意以下內(nèi)容：

1）FBD塊的信號連接時，應(yīng)做好整數(shù)、實數(shù)、布爾量等數(shù)據(jù)類型的匹配轉(zhuǎn)換。字型數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為實數(shù)型時，不能直接轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過二次類型轉(zhuǎn)換。

2）ACS510變頻器用戶手冊所提供的Modbus通信地址應(yīng)該減去1后才可用，這點容易被忽視。

3）WinCS系統(tǒng)的FBD塊只提供了常用的功能碼：01、02、03、04、05、06、08、15、16。其他的功能碼在WinCS軟件中沒有對應(yīng)的FBD塊。

4）當操作連續(xù)地址的多個寄存器（或線圈）時，可以采用8或16個寄存器（或線圈）的FBD塊，一次性讀寫所有變量，讓程序更加簡潔。

5）PM683的內(nèi)置485接口應(yīng)設(shè)置為Modbus主站，而不是從站。波特率、奇偶校驗、停止位應(yīng)該和從站保持一致。

6）趨勢曲線的采集和顯示有多種手段可選，采用趨勢節(jié)點的方式是較為簡便的途徑。