基于MODBUS 通訊的電機(jī)控制方法探析

馮小雷，王學(xué)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(dòng)化控制技術(shù)的作用越來(lái)越重要,在線材拉拔生產(chǎn)過(guò)程中，使用可編程控制器，對(duì)多臺(tái)收卷機(jī)進(jìn)行集中控制，通過(guò)上位機(jī)操控界面對(duì)各個(gè)收卷機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分別控制。需要采用基于MODBUS 協(xié)議的通訊連接,實(shí)現(xiàn)PLC 對(duì)多臺(tái)收券機(jī)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(qiáng)、硬件連接簡(jiǎn)單、容易操作等特點(diǎn)。結(jié)合操控界面，使用PLC 與收券機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)收卷機(jī)的遠(yuǎn)程控制和集中控制，同時(shí)增強(qiáng)了收券機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警等功能。

2 MODBUS 通信協(xié)議

MODBUS 通信協(xié)議是由美國(guó)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(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)不同控制設(shè)備之間、控制設(shè)備與其他功能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。通過(guò)該協(xié)議,可以將不同廠家的控制設(shè)備和智能儀表連成一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),通過(guò)上位機(jī)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中控制。

一臺(tái)主機(jī)設(shè)備，可以通過(guò)MODBUS 通信協(xié)議連接多臺(tái)從機(jī)設(shè)備，并且順序讀取各個(gè)從站設(shè)備的數(shù)據(jù)。另外，主機(jī)設(shè)備還可以直接向從機(jī)發(fā)送指令，修改數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)設(shè)備的完全控制。

本文使用的Modbus RTU 通信模式，2 個(gè)十六進(jìn)制字符組成一條消息報(bào)文由。在RTU 通信方式下，消息報(bào)文以字符形式進(jìn)行連續(xù)傳輸，報(bào)文中2 個(gè)十六進(jìn)制字符組成1 個(gè)字節(jié)，單個(gè)字節(jié)包含有1 個(gè)起始位、1 個(gè)校驗(yàn)位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)停止位。

3 可編程控制器對(duì)多臺(tái)收卷機(jī)的控制

在拉拔線材生產(chǎn)車間，擁有多臺(tái)收卷機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的拉拔線材產(chǎn)品的收集。對(duì)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(jī)匹配不同的轉(zhuǎn)速，這就需要用變頻器來(lái)控制每臺(tái)收卷機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)人機(jī)界面對(duì)變頻器的輸出進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，從而直觀有效的控制收卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。基于Modbus 通訊協(xié)議，構(gòu)建可編程控制器對(duì)多臺(tái)電機(jī)變頻器的控制，從而實(shí)現(xiàn)收卷機(jī)速度調(diào)節(jié)的自動(dòng)化。

3.1 收卷機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)建

首先，對(duì)于多臺(tái)收卷機(jī)的操控，采用集散控制的方式，即使用一個(gè)安裝在收卷機(jī)附近的觸摸屏，對(duì)多臺(tái)收卷機(jī)進(jìn)行分別控制，給不同的收卷機(jī)設(shè)定不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；HMI 是操作人員與機(jī)器之間的畫(huà)面接口，HMI 操控界面選用西門子WinCC flexible 組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，用于組態(tài)用戶界面，方便操作和監(jiān)視設(shè)備。通過(guò)可視化界面，監(jiān)控收卷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并且通過(guò)對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行修改進(jìn)而控制收卷機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。HMI 控制系統(tǒng)主要承擔(dān)以下任務(wù)：（1）過(guò)程可視化；（2）報(bào)警并顯示；（3）歸檔報(bào)警值和過(guò)程值；（4）過(guò)程和設(shè)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(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能，滿足控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求。S7-200 SMART CPU 模塊本身集成1 個(gè)RS485 接口和1 個(gè)以太網(wǎng)接口，滿足小型自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備連接觸摸屏、變頻器第設(shè)備的眾多需求。

為了調(diào)整收卷機(jī)的速度，需要使用變頻器對(duì)收卷電機(jī)進(jìn)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(shū)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行讀取和控制。控制系統(tǒng)組成為：HMI 人機(jī)界面、可編程控制器、MD200 變頻器（多臺(tái)）、收卷電機(jī)（多臺(tái)）。

3.2 PLC 對(duì)多臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制

可編程控制器，對(duì)多臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，使用屏蔽雙絞線連接多個(gè)變頻器的485 通訊接口，防止環(huán)境中的電磁干擾對(duì)信號(hào)的傳遞造成影響。

將變頻器的運(yùn)行模式設(shè)置為外部控制，即PLC 使能，通信波特率設(shè)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(kù)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(gè)掃描周期都能被使能；奇偶校驗(yàn)參數(shù)(Parity)設(shè)置與Modbus 從站設(shè)備的奇偶校驗(yàn)匹配，使用一個(gè)起始位和一個(gè)停止位，將該參數(shù)設(shè)置為0（無(wú)奇偶校驗(yàn)）；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(shè)置為0；參數(shù)(Timeout)設(shè)為等待從站做出響應(yīng)的時(shí)間，Timeout 值可以為1 ～32767ms 之間。典型值為1000ms，Timeout 參數(shù)應(yīng)設(shè)置得合理，以便從站設(shè)備有足夠的時(shí)間在所選的波特率下傳輸數(shù)據(jù)；Done為完成標(biāo)志位，完成初始化其自動(dòng)置為1；Error 為錯(cuò)誤代碼，存放在MB1 中，若為0 則代表無(wú)錯(cuò)誤。

另外，PLC 主站程序初始化時(shí)，Modbus 地址、站地址、波特率、功能碼、校驗(yàn)方式、通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(wú)法建立通信。

在變頻器上，設(shè)置電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)的額定電流、額定功率，轉(zhuǎn)速等。由于存在多臺(tái)變頻器，在變頻器上設(shè)定變頻器的編號(hào)，根據(jù)此編號(hào)在控制程序上設(shè)定變頻器的通訊地址，需要對(duì)不同編號(hào)的變頻器使用Modbus協(xié)議分別進(jìn)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(kù)文件。在程序塊中，Slave 為不同變頻器的編號(hào)，最多可以有32 臺(tái)設(shè)備；當(dāng)EN 端和First 端輸入同時(shí)為正電平時(shí)，MBUS_MSG 指令會(huì)向主站發(fā)出請(qǐng)求。程序在處理請(qǐng)求、等待響應(yīng)和處理響應(yīng)的過(guò)程時(shí)間需要多個(gè)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(gè)時(shí)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(gè)從站需要循環(huán)掃描，這就需要通過(guò)控制First 端口的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。有新請(qǐng)求發(fā)送時(shí)，將參數(shù)First 設(shè)置為高電平，并保持一個(gè)掃描周期。First 輸入以脈沖上升沿檢測(cè)為控制條件，當(dāng)有上升沿信號(hào)觸發(fā)的時(shí)候，程序發(fā)送一次掃描請(qǐng)求，在程序段中，通過(guò)一個(gè)定時(shí)器程序控制V200.1 的接通，進(jìn)而得到了觸發(fā)First 端口的上升沿信號(hào)。

通過(guò)控制VB10 的數(shù)值，控制該程序段是讀取還是寫(xiě)入數(shù)據(jù)，RW 為1 時(shí)，通過(guò)PLC 給定變頻器控制參數(shù)，RW 為0 時(shí)，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(guān)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。對(duì)于讀請(qǐng)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(gè)存儲(chǔ)單元。對(duì)于寫(xiě)請(qǐng)求，將DataPtr 設(shè)置成為要發(fā)送到Modbus 從站數(shù)據(jù)的第一個(gè)存儲(chǔ)單元。通過(guò)其他程序段的控制，PLC 讀取多臺(tái)變頻器的參數(shù)狀態(tài)或者對(duì)多臺(tái)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(jī)，達(dá)到了對(duì)收卷速度的分別控制。

3.3 收卷電機(jī)速度給定

為了控制電機(jī)的速度，要精準(zhǔn)的控制變頻器的輸出。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，需要傳送一個(gè)控制命令給變頻器地址Add 40001，若要實(shí)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(shí)現(xiàn)不同的性能。例如，變頻器的準(zhǔn)備/停止命令符16#047E，正轉(zhuǎn)啟動(dòng)命令符16#047F，反轉(zhuǎn)啟動(dòng)命令符16#0C7F。

變頻器的準(zhǔn)備停止命令、正向反向點(diǎn)動(dòng)、故障確認(rèn)等控制點(diǎn)，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(jī)上，從而使得收卷電機(jī)處于不同的工作狀態(tài)。

電機(jī)的速度給定，也即是變頻器的頻率給定。需要給Modbus 從站寫(xiě)入頻率設(shè)定值，查閱MD200 變頻器的運(yùn)行手冊(cè)，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(guò)計(jì)算得每1Hz 為327.68。若以設(shè)定頻率運(yùn)行，設(shè)定值通過(guò)HMI 傳輸?shù)綄?shí)數(shù)變量VD300，設(shè)定值乘以327.68 即為當(dāng)前設(shè)定頻率的十進(jìn)制實(shí)數(shù)值，將此數(shù)值傳送到累加器AC0 中。運(yùn)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(shè)定值地址1007 中，完成速度值設(shè)定，設(shè)計(jì)的控制程序如圖3所示。

圖3 速度給定程序設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定和監(jiān)控。當(dāng)需要調(diào)用多個(gè)指令讀取變頻器參數(shù)時(shí)，或給的變頻器參數(shù)時(shí)，各個(gè)從站程序同一個(gè)掃描周期只能有一個(gè)導(dǎo)通，需要輪回讀取和設(shè)定，此時(shí)，可利用前一個(gè)掃描周期讀寫(xiě)指令的完成標(biāo)志位，作為使能信號(hào)，使能下一個(gè)掃描周期的讀寫(xiě)指令，依次執(zhí)行各個(gè)變頻器控制程序段。

4 結(jié)語(yǔ)

上文闡述了基于 MODBUS 通信方式下 PLC 控制多臺(tái)電機(jī)變頻器的設(shè)計(jì)和控制方法。在工業(yè)控制領(lǐng)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(luò)。由于 MODBUS 通訊協(xié)議在硬件上只需2根導(dǎo)線，簡(jiǎn)化了設(shè)備的硬件連接。基于該通訊協(xié)議，通過(guò)操作界面對(duì)多臺(tái)收卷機(jī)采取集中控制分散管理，簡(jiǎn)化了控制流程，提高了生產(chǎn)效率。