韓迎輝（常州輕工職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164）

1 引言

交流調(diào)速在工業(yè)中的發(fā)展十分迅速，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)已廣泛應用于機械、冶金、化工、包裝等各個行業(yè)，在電氣傳動控制中已普遍應用。

隨著工業(yè)自動化水平提高，對變頻器的數(shù)據(jù)通訊要求已經(jīng)成為控制系統(tǒng)的必然趨勢，與傳統(tǒng)的I/O方式硬接點、D/A輸出控制方式相比較，通訊控制具有硬件連接簡單、給定精度高、能進行復雜數(shù)據(jù)交換等優(yōu)點。變頻器采用通訊控制可以實現(xiàn)車間級的電氣傳動現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制。

本文結(jié)合涂布生產(chǎn)線放卷裝置的變頻器通訊程序設(shè)計，為確保變頻器通訊控制的可靠性，必須要綜合考慮到硬件和軟件方面。在硬件系統(tǒng)上可以考慮采用濾波、屏蔽、隔離、接地、增設(shè)終端匹配電阻等措施，此處不再贅述，本文主要闡述PLC通訊程序軟件方面的可靠性設(shè)計。

2 通訊系統(tǒng)硬件

2.1 變頻器通訊控制系統(tǒng)構(gòu)成

放卷設(shè)備是涂布機的關(guān)鍵設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)由A、B雙工位放卷軸和壓緊輥組成。圖1為系統(tǒng)組成框圖：

圖1 通訊控制系統(tǒng)框圖

放卷裝置在卷軸切換時PLC需將初始卷徑傳給變頻器，變頻器運行過程中也要將實時卷徑、線速度等參數(shù)反饋給PLC，PLC與變頻器必須采用RS485通訊控制，否則難以實現(xiàn)放卷控制所需的數(shù)據(jù)傳遞。

放卷裝置的通訊系統(tǒng)硬件配置為：匯川MD330變頻器加RS485通訊卡、可編程控制器采用三菱FX3U PLC外接FX3U-485-BD通訊模塊。

PLC與MD330變頻器通訊硬件接線簡單，將通訊模塊上的RDA與SDA端子短接，RDB和SDB端子短接，RDA接變頻器485+，RDB接變頻器485－，屏蔽雙絞線接地，根據(jù)需要接駁終端匹配電阻。

3 PLC與變頻器的通訊程序設(shè)計

3.1 PLC通訊初始化程序

本系統(tǒng)兩臺變頻器接入RS485總線，采用以PLC為主站，兩個變頻器為從站的“單主多從”主從方式控制網(wǎng)。這樣上位機便能通過RS485通信線和各變頻器信息交換進行控制操作。

PLC初始化時將通訊格式參數(shù)D8120設(shè)置為H0C99時：即數(shù)據(jù)長度為8位，停止位1位，無標題符和終結(jié)符，無奇偶校驗N，波特率19200bps 。通訊設(shè)置無校驗，可以減少硬件上的數(shù)據(jù)通訊攔截，提高通訊響應。由于PLC與變頻器距離不遠，較高的波特率可以減少通訊時間。

設(shè)置的通信超時時間D8129=K1，在D8129中默認單位是10ms，所以超時設(shè)置為10ms。PLC與變頻器的通訊參數(shù)應當一致，其中通訊地址不能重復。PLC初始化程序如圖2所示：

圖2 初始化梯形圖

3.2 通訊程序流程結(jié)構(gòu)

由于工業(yè)現(xiàn)場不可避免的存在各種干擾，通訊過程中也可能受到強烈干擾而導致數(shù)據(jù)錯誤，所以必須對RS485發(fā)送和接收的通訊過程進行嚴格的校驗，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴樘岣咄ㄓ嵉目煽?，需要設(shè)計合理的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.3 合理安排通訊過程

本文涉及的PLC與MD330變頻器總共有6個通訊數(shù)據(jù)：A/B軸初始卷徑、A/B軸實際卷徑、A/B軸線速度。如何合理安排好這些數(shù)據(jù)的通訊收發(fā)，是關(guān)鍵要素，否則會影響通訊的可靠性。

（1）通訊數(shù)據(jù)優(yōu)先級和次序

圖3 通訊程序結(jié)構(gòu)框圖

A/B軸實際卷徑、A/B軸線速度這4個數(shù)據(jù)要不斷的定時輪詢，而A/B軸初始卷徑這2個數(shù)據(jù)是不定期的隨機通訊，但這2個數(shù)據(jù)的通訊優(yōu)先級比輪詢數(shù)據(jù)要高。

PLC采用定時輪詢的方法輪流讀取4個數(shù)據(jù)：可以設(shè)定一個時間周期，每隔0.1秒進行一個數(shù)據(jù)的讀取，通訊波特率是19200bps，經(jīng)過示波器測量通訊波形分析在此波特率下，PLC發(fā)一幀8個字節(jié)數(shù)據(jù)所需小于5ms，考慮到變頻器接收、處理、回送數(shù)據(jù)及通訊延時，每次這樣的完整收發(fā)過程應不大于20ms左右,間隔時間正常情況下是完全足夠的。要注意下位機一般不會立即響應，理論上19.2K的波特率下收發(fā)周期10ms，實際很難實現(xiàn)。

輪詢的定時間隔不宜過小，只要滿足生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)更新要求即可，不需要過分追求數(shù)據(jù)更新速度。這樣的定時輪詢在抗干擾方面是有明顯效果的，因為在0.1秒的間隔時間內(nèi)，只有約20ms時間在雙向數(shù)據(jù)通訊，其他約80ms時間是通訊休眠沉默期，這樣通訊受到干擾的幾率大大降低，有效的提高了通訊的安全可靠性。

（2）定時輪詢梯形圖

數(shù)據(jù)輪詢的次序也不能忽視，經(jīng)實際通訊測試，同一地址的不同數(shù)據(jù)訪問不宜連續(xù)，可以交替訪問：先讀取A軸卷徑，然后讀B軸卷徑，再讀A軸線速度，最后讀B軸線速度。這種方法比連續(xù)讀取A軸2個數(shù)據(jù)，再連讀B軸2個數(shù)據(jù)，通訊更可靠。因為，連續(xù)讀取A軸數(shù)據(jù)時，前后通訊數(shù)據(jù)幀中的地址碼不變，反而容易產(chǎn)生通訊錯誤。圖4為定時輪詢梯形圖。

（3）輪詢之外的隨機通訊

在PLC正常輪詢A/B放卷軸的過程中，會隨機性的要求設(shè)定A/B軸的初始卷徑，必須要合理安排這2個隨機通訊數(shù)據(jù)的要求。既不能等太久時間，否則影響控制的實時性要求，但也不能在當前輪詢通訊數(shù)據(jù)未完成的情況下立即響應，導致通訊效率降低。

圖4 定時輪詢梯形圖

當要求傳送隨機的初始卷徑時，如果當前輪詢的數(shù)據(jù)通訊未完成，必須等當前輪詢的數(shù)據(jù)通訊結(jié)束后，打斷下一個輪詢通訊立即發(fā)送初始卷徑，只有等初始卷徑發(fā)送給變頻器完成后才能繼續(xù)開始輪詢。本文提出了一種通訊插隊方法，梯形圖如圖5所示：

圖5 隨機通訊梯形圖

程序中增加了寫A、B軸初始卷徑命令輔助繼電器M150、M160，一旦M150或M160有效，會立即終止正常的定時輪詢通訊，但不能打斷當前尚未完成正在進行的某個定時輪詢通訊，必須要等當前的輪詢通訊完成后，才能立即進行插隊的通訊任務。M150、M160與輪詢的M92、M95、M300、M320是互斥的。當然，要插隊的2個通訊任務彼此間也是互斥的。

（4）通訊時序圖

圖6是PLC在19200bps發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的通訊時序圖，在編程時務必注意通訊時長和間隔，否則無法正常和下位機變頻器進行RS485通訊。

通過PLC編程自測發(fā)送一幀數(shù)據(jù)大致需要5ms左右，與示波器測量相似。

3.4 PLC與變頻器的通訊程序

通訊雙方遵照相同的總線協(xié)議。每幀數(shù)據(jù)格式為：地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)長度、所需數(shù)據(jù)、CRC效驗碼等。利用三菱PLC的RS指令無協(xié)議通訊編程可實現(xiàn)MODBUS RTU協(xié)議的通訊。

RS指令能實現(xiàn)RS485串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其指令格式為[RS S m D n]，數(shù)據(jù)格式在D8120中設(shè)定。RS指令的編程標志位M8122為發(fā)送請求標志、M8123是接收處理完標志。其中M8122發(fā)送啟動僅需置位一次，但RS指令需要驅(qū)動直至發(fā)送和接收都完成。發(fā)送完成后M8122會自動清零，接收完成或超時溢出則M8123會置位。處理完接收數(shù)據(jù)后，軟件需對M8123及時清零。

圖6 一幀數(shù)據(jù)通訊時序圖

在一次完整的通訊過程中，RS指令必須保持一直有效，直至發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完成。在接收數(shù)據(jù)的過程中，如在D8129指定的時間內(nèi)數(shù)據(jù)接收，則超時標志M8129變?yōu)镺N，表明接收異常結(jié)束，則M8123置位。

根據(jù)MD330變頻器的MODBUS通訊協(xié)議要求，設(shè)計針對該協(xié)議的通訊程序流程。合理的軟件算法保證了PLC和MD330變頻器準確無誤的傳遞數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)的PLC通訊程序流程圖7所示：

圖7 PLC通訊程序流程圖

PLC發(fā)送一幀通訊數(shù)據(jù)的梯形圖如圖8所示：

圖8 發(fā)送通訊數(shù)據(jù)梯形圖

通訊程序中M98輔助繼電器的作用是將通訊指令RS執(zhí)行時間延后一個掃描周期，使前后2幀數(shù)據(jù)通訊過程有短暫間隔時間，防止前后數(shù)據(jù)幀在線路上的重疊碰撞，保證通訊的可靠性。M93為發(fā)送限制，防止M8122一直為ON，導致通訊出錯。

程序增加了通訊限時定時器T70，延時時間是0.2秒，其作用是防止當前通訊任務失敗后，PLC能自動退出該訪問數(shù)據(jù)部分的通訊，及時訪問其他設(shè)備，不至于產(chǎn)生通訊卡阻死鎖現(xiàn)象。通過示波器實際測量，在變頻器無應答的情況下，PLC每隔200ms輪流發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，不會停頓在某一處，進一步提高了通訊的容錯能力。圖9為實測通訊無響應波形：

圖9 通訊輪詢實測波形

注意PLC每次都要在發(fā)送數(shù)據(jù)前明確的給所有的被發(fā)送的數(shù)據(jù)賦值，盡量不要利用初始化脈沖對有的數(shù)據(jù)僅一次性賦值，以后每次通訊不再賦值，這樣會給通訊帶來隱患，在強干擾環(huán)境下，PLC的內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器可能會受到干擾，導致初始化賦值更改，致使通訊出錯。

某些應用場合，甚至要求PLC對通訊接收到的數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)存，同時將直接收到的數(shù)據(jù)清空。可以說，這種方式的接收數(shù)據(jù)，也可以提高通訊的質(zhì)量。

4 通訊可靠性附加設(shè)計

由于工業(yè)現(xiàn)場存在各種干擾，PLC和變頻器數(shù)據(jù)通訊完成后，為保證通訊的可靠有效，除了設(shè)計合理的通訊流程結(jié)構(gòu)和程序外，還必須對接收的數(shù)據(jù)進行嚴格的通訊檢驗、故障自檢以及其他附加措施。

（1）通訊數(shù)據(jù)校驗

本文提出的校驗方法如下：對通訊的地址碼和校驗碼均進行驗證，通過雙重校驗合格的數(shù)據(jù)才會接收下來被采信，參與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。否則，未通過校驗的數(shù)據(jù)被丟棄。

圖10 通訊數(shù)據(jù)校驗梯形圖

通過塊比較指令BKCMP，先對接收到的地址碼D110、D111這2個寄存器和先前RS指令發(fā)送出去的目標地址碼D100、D101進行比對，如果相同表明通訊接收到的地址正確無誤，如果地址碼不對，說明通訊出錯，本次接收到的數(shù)據(jù)無效。地址碼核對無誤后，PLC再對接收到的前6個數(shù)據(jù)計算CRC校驗碼，PLC計算出的CRC效驗碼和通訊線路實際收到的CRC效驗碼進行比較，如果一致，說明本次收到的數(shù)據(jù)是完全正確的。

只有通過地址和CRC碼比對后的數(shù)據(jù)才進行后續(xù)處理，這樣有效的保證了PLC與變頻器在工業(yè)現(xiàn)場通訊的可靠性，極大的降低了通訊數(shù)據(jù)錯誤。

（2）通訊故障檢測

在PLC程序設(shè)計中，增加了通訊故障報警信號。思路是：如果每個通訊任務都能正常通訊，在1秒時間內(nèi)，均能執(zhí)行幾次，設(shè)置一個通訊指示繼電器，每次正常通訊后，對其進行取反，這樣通訊指示繼電器應該是一個交替信號，對該繼電器進行判斷，如果不是交替信號，說明通訊故障，可發(fā)出通訊故障報警信號。

另外，還可以利用PLC自身提供的通訊輔助標志位M8128、M8129進行通訊診斷編程。

（3） 自動多次握手

如果有個別通訊數(shù)據(jù)非常重要，可以設(shè)計一次通訊失敗后自動再次發(fā)起主動握手通訊，達到一定時間或次數(shù)仍然無法通訊就發(fā)出報警信號。自動握手次數(shù)也可根據(jù)需要設(shè)定，但不宜過多，否則影響其它數(shù)據(jù)的通訊。

5 結(jié)論

由于通訊程序的設(shè)計采用了多種可靠性措施，使PLC與變頻器在復雜的涂布機工業(yè)環(huán)境下，能夠正常傳遞各種數(shù)據(jù)，保證了通訊數(shù)據(jù)的可靠和正確，提高了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

通過在現(xiàn)場的實際使用情況，采用以上方法的變頻器通訊系統(tǒng)能有效的抵抗絕大多數(shù)的干擾，剔除受到干擾的非正常數(shù)據(jù)，高效地保證了通訊過程的正?？煽浚挛粰C出現(xiàn)故障也能診斷出并能忽略該故障，不會影響其它數(shù)據(jù)通訊。

該通訊軟件程序經(jīng)受了實踐的檢驗，得到了涂布機設(shè)備制造商和運行企業(yè)的認可。本文闡述的技術(shù)方法在變頻器通訊應用的工業(yè)領(lǐng)域具有很好的技術(shù)推廣價值。

[1]李江全, 王建平. 三菱FX系列PLC數(shù)據(jù)通信及測控應用 [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011．

[2]唐志文. PLC與變頻器的RS485通訊 [J]. 變頻器世界, 2005, 1．

[3]羅宏權(quán). 基于RS485通訊的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 [J]. 紡織機械, 2006, (3)．

[4]張祖光. RS485通訊在拉絲機變頻控制中的應用 [J]. 玻璃纖維, 2008, (3).

[5]瞿選益. 談三菱FX系列PLC與D系列變頻器的RS_485通訊[J]. 科技資訊,2013, 24．

[6]夏雨. 基于三菱可編程控制器無協(xié)議通訊的應用 [J]. 可編程控制器與工廠自動化, 2006 (02)．

[7]張智明. 基于RS-485的變頻器與PLC的通訊技術(shù)的研究 [J]. 現(xiàn)代制造工程. 2005 (12)．