ACS510變頻器的Modbus通信控制

徐小品

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能調(diào)速，其調(diào)速方式有本地控制盤(pán)、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(duì)設(shè)備的管理能力，對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、無(wú)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(kuò)展，簡(jiǎn)化了控制線路的接線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)和參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)控，可以很好滿足這方面的需求。為此，本項(xiàng)目針對(duì)ABB的ACS510變頻器研究了遠(yuǎn)程測(cè)控操作的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程測(cè)控。

WinCS控制系統(tǒng)是ABB盈控公司推出的面向混合自動(dòng)化控制的過(guò)程控制系統(tǒng)，融合了傳統(tǒng)DCS和PLC優(yōu)點(diǎn)于一體，并支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1 原理

Modbus通信特點(diǎn)：主/從方式，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主設(shè)備，采用查詢-回應(yīng)方式進(jìn)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(dòng)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(guò)串口485物理層進(jìn)行，最多可以接入32個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（含一個(gè)主站）。

圖1是控制系統(tǒng)框圖。上位機(jī)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(shí)現(xiàn)程序下載和畫(huà)面監(jiān)控實(shí)時(shí)通信。控制器PM683和ACS510變頻器485端口之間通過(guò)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(diǎn)號(hào)）、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。在WinCS軟件中，采用FBD塊編程時(shí)只需設(shè)置前3項(xiàng)內(nèi)容，最后一項(xiàng)CRC校驗(yàn)碼由控制器和總線設(shè)備自動(dòng)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(shí)，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(shí)，變頻器面板上的本地遠(yuǎn)程按鍵應(yīng)設(shè)置為遠(yuǎn)程REM模式。

2.2 其他參數(shù)設(shè)置

以3 kW變頻電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(guò)99.07設(shè)定的額定頻率時(shí)，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(yùn)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(xiàng)目將發(fā)生改變。

3 WinCS編程步驟

3.1 建項(xiàng)目樹(shù)

建立如圖2所示項(xiàng)目樹(shù)，通過(guò)右鍵插入下一級(jí)，建立過(guò)程站PS、操作員站OS，并在過(guò)程站下插入FBD程序，在操作員站下插入監(jiān)控畫(huà)面FGR。

圖2 建項(xiàng)目樹(shù)

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(guò)程站W(wǎng)NC680和操作員站W(wǎng)inHMI，并對(duì)WNC680和WinHMI進(jìn)行資源指定，資源名稱與項(xiàng)目樹(shù)對(duì)應(yīng)。選擇過(guò)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(wú)奇偶校驗(yàn)。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(guò)程站的IP地址和資源ID號(hào)[5]，如表2所示。網(wǎng)絡(luò)配置表的IP地址、資源ID號(hào)應(yīng)與WinAdmin的設(shè)置、電腦IP地址、PM683的IP地址對(duì)應(yīng)，且每種資源的ID號(hào)應(yīng)是唯一。

3.4 FBD塊編程

通過(guò)查詢ACS510的Modbus技術(shù)協(xié)議地址表，獲得變頻器啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速給定和電動(dòng)機(jī)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(xiě)線圈與寄存器這些常用的Modbus功能碼在WinCS軟件上有專(zhuān)用的FBD塊[6]。插入與功能碼對(duì)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(hào)從站的變頻器上讀取6號(hào)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(rèn)為20 000，該數(shù)值對(duì)應(yīng)輸出頻率的限制值。因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)速給定的時(shí)候需要進(jìn)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(xiě)寄存器）的FBD塊。由于轉(zhuǎn)速的給定值是Real實(shí)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(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換塊變?yōu)閕nt整數(shù)型，再經(jīng)過(guò)整數(shù)型到字型的轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)類(lèi)型未匹配時(shí)，在程序檢查后信號(hào)連線將自動(dòng)變成紅色。

圖5 寫(xiě)入轉(zhuǎn)速給定值

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

圖6 啟動(dòng)與停止命令寫(xiě)入

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

3.5 操作員站的監(jiān)控畫(huà)面編程

操作員站目錄下插入FGR畫(huà)面節(jié)點(diǎn)，如圖8所示，在畫(huà)面中設(shè)置操作按鍵并分別關(guān)聯(lián)到程序的啟動(dòng)和停止變量。速度給定和實(shí)測(cè)速度的顯示分別關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)變量。

圖7 讀取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值

圖8 變頻器轉(zhuǎn)速監(jiān)控畫(huà)面

利用趨勢(shì)圖可以觀察變頻器、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)的歷史變化過(guò)程。趨勢(shì)數(shù)據(jù)采集的方式多樣，可以在操作員站下插入趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)，或者在FGR畫(huà)面中插入趨勢(shì)圖，或者用OPC趨勢(shì)服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。一張趨勢(shì)圖最多可以顯示6條測(cè)量曲線，可分別關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的6個(gè)測(cè)量變量。以趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)插入的方式為例，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：在FBD程序中插入趨勢(shì)采集塊（含標(biāo)簽名設(shè)置），將趨勢(shì)采集塊的輸入信號(hào)連接到某個(gè)待觀測(cè)的變量。然后在操作員站下插入趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置參數(shù)時(shí)選中“使用采樣功能塊”，然后輸入相應(yīng)的趨勢(shì)塊的標(biāo)簽名。為了能在實(shí)際運(yùn)行中觀測(cè)到趨勢(shì)曲線，還需在WinAdmin窗口中把計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)鐘和過(guò)程站的時(shí)鐘設(shè)置為“允許時(shí)間同步”。由于過(guò)程站的IP地址尾號(hào)小于計(jì)算機(jī)的IP地址，當(dāng)開(kāi)啟“時(shí)間同步”并加載程序后，計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間將發(fā)生變化，與過(guò)程站的內(nèi)部時(shí)鐘自動(dòng)保持統(tǒng)一。這種方式記錄的變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，默認(rèn)為5 s更新一次。

4 結(jié)語(yǔ)

WinCS系統(tǒng)的FBD塊編程語(yǔ)言是一種便捷的編程語(yǔ)言，結(jié)合Modbus通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)對(duì)ACS510變頻器的遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視。編程過(guò)程中，應(yīng)該注意以下內(nèi)容：

1）FBD塊的信號(hào)連接時(shí)，應(yīng)做好整數(shù)、實(shí)數(shù)、布爾量等數(shù)據(jù)類(lèi)型的匹配轉(zhuǎn)換。字型數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型時(shí)，不能直接轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過(guò)二次類(lèi)型轉(zhuǎn)換。

2）ACS510變頻器用戶手冊(cè)所提供的Modbus通信地址應(yīng)該減去1后才可用，這點(diǎn)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(méi)有對(duì)應(yīng)的FBD塊。

4）當(dāng)操作連續(xù)地址的多個(gè)寄存器（或線圈）時(shí)，可以采用8或16個(gè)寄存器（或線圈）的FBD塊，一次性讀寫(xiě)所有變量，讓程序更加簡(jiǎn)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(yàn)、停止位應(yīng)該和從站保持一致。

6）趨勢(shì)曲線的采集和顯示有多種手段可選，采用趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)的方式是較為簡(jiǎn)便的途徑。