張順星，梁小宜

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000;2.麥克傳感器有限公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，使用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)速控制通常有以下幾種方法:(1)使用PLC的數(shù)字量輸出控制變頻器的邏輯輸入，通過(guò)變頻器邏輯輸入的組合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止等控制及預(yù)設(shè)的多段速度頻率給定，適用于幾段固定頻率運(yùn)行的場(chǎng)合［1］。(2)使用PLC的模擬量輸出D/A模塊，接入變頻器的模擬量輸入端作為頻率給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)控制。(3)使用通信的方式，通過(guò)串行通信總線，將PLC與變頻器組成通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程控制及監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)的功能。綜合比較，使用通信的方式對(duì)變頻器進(jìn)行控制與監(jiān)視，不僅具有節(jié)省模擬量A/D、D/A模塊，線路簡(jiǎn)單，不占用PLC I/O端口的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的變頻調(diào)速系統(tǒng)，配合上位機(jī)或觸摸屏，還可獲取變頻器的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如運(yùn)行頻率、電流、電壓等。

使用通信的方式實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的有效控制及狀態(tài)監(jiān)視，關(guān)鍵是要掌握PLC和變頻器之間的通信協(xié)議。本文以歐姆龍CP1E-NA型PLC和歐姆龍3G3MX2變頻器為例，詳細(xì)研究了PLC與變頻器連接、Modbus協(xié)議信息構(gòu)成及PLC功能編程等，實(shí)現(xiàn)PLC通過(guò)Modbus協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行控制及狀態(tài)監(jiān)視。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

PLC通過(guò)Modbus協(xié)議控制變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)使用一臺(tái)歐姆龍 CP1E-NA型 PLC作為 Modbus主站，使用Modbus-RTU協(xié)議控制兩臺(tái)歐姆龍3G3MX2變頻器，每臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器作為Modbus從站。

圖1 PLC與變頻器的Modbus通信示意圖

CP1E-NA型PLC是歐姆龍的小型應(yīng)用型PLC，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，安裝RS-422A/485選件板，將其配置為RS-485通信方式，可以構(gòu)成 Modbus通信總線，最多可以控制247臺(tái)變頻器。

3G3MX2變頻器是歐姆龍的緊湊型高功能小型變頻器，支持無(wú)傳感器矢量控制和帶速度反饋的V/F控制，內(nèi)置RS485通信口支持Modbus協(xié)議。

2 變頻器與PLC連接及參數(shù)設(shè)置

CP1E-NA型PLC的CPU單元上有兩個(gè)串行端口:串口1、串口2，其中串口1為內(nèi)置的RS-232C接口，串口2可使用RS-422A/485選件板CP1W-CIF11配置為RS-485接口［2］。

RS-422A/485選件板有五個(gè)接線端子，分別是RDA-、RDB+、SDA-、SDB+、FG，既可以接成RS-422A全雙工通信方式，也可以接成RS-485半雙工通信方式。當(dāng)使用RS-485通信方式時(shí)，選件板背部6個(gè)DIP開關(guān)SW1-SW6應(yīng)分別設(shè)置為，SW2、SW3、SW5、SW6設(shè)置為 ON，SW4設(shè)置為 OFF，SW1控制終端電阻開關(guān)。為使RS485通信保持穩(wěn)定，應(yīng)將總線末端變頻器終端電阻切換開關(guān)撥到ON的位置。

PLC與變頻器連接時(shí)，使用雙絞屏蔽電纜連接CP1W-CIF11和3G3MX2變頻器，電纜的一端接在選件板CP1W-CIF11的SDA-、SDB+端子，另一端接3G3MX2變頻器控制電路端子塊的RS-、RS+端子上，如圖2所示，當(dāng)有多臺(tái)變頻器進(jìn)行連接時(shí)，只需將后續(xù)變頻器的RS-、RS+端子與第一臺(tái)變頻器的RS-、RS+端子并聯(lián)即可［3］。

圖2 PLC與變頻器的連接

使用操作面板對(duì)變頻器按照表1設(shè)置通信參數(shù)。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

3 Modbus協(xié)議信息構(gòu)成

Modbus協(xié)議是目前應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制器上最廣泛的一種通用協(xié)議，已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控［4］。

Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(Protocol Date Unit)［5］。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的 Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)上引入一些附加域，串行鏈路上的Modbus幀，如圖3所示。

從主站發(fā)送至從站的指令信息叫做“請(qǐng)求”，從站對(duì)此的回復(fù)信息叫做“應(yīng)答”。Modbus協(xié)議請(qǐng)求與應(yīng)答的傳送格式如表2所示。

圖3 串行鏈路上的Modbus幀

表2 Modbus協(xié)議請(qǐng)求與應(yīng)答的傳送格式

在CP1E-NA型PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM中，分配了固定的存儲(chǔ)空間用于進(jìn)行Modbus-RTU通信。當(dāng)使用串行選件端口進(jìn)行通信時(shí)，D1300-D1349存儲(chǔ)的是“請(qǐng)求”指令的信息，其中D1300表示從站變頻器地址，D1301表示功能代碼，D1302表示通信數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，D1303-D1349表示具體的請(qǐng)求通信數(shù)據(jù);D1350-D1399存儲(chǔ)的是“應(yīng)答”指令的信息，其中D1350表示從站變頻器地址，D1351表示功能代碼，D1352表示通信錯(cuò)誤代碼，D1353表示應(yīng)答的字節(jié)數(shù)，D1354-D1399表示具體的應(yīng)答通信數(shù)據(jù)。

因此，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM中的D1300-D1349中保存的是要發(fā)送給變頻器的Modbus-RTU命令。當(dāng)串行選件端口的通信使能位A641.00由0→1時(shí)，Modbus-RTU命令自動(dòng)發(fā)出，變頻器返回的應(yīng)答保存在D1250～D1299中。

PLC執(zhí)行Modbus-RTU命令時(shí)，使用“功能碼”來(lái)指定變頻器執(zhí)行的功能［6］。用到的部分功能碼如表3所示。

表3 Modbus協(xié)議部分功能碼

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC通信端口設(shè)置

打開歐姆龍PLC編程軟件CX-Programmer，在左側(cè)工程目錄下，雙擊在PLC工程中的“設(shè)置”圖標(biāo)，打開“串行選項(xiàng)端口”標(biāo)簽頁(yè)，進(jìn)行PLC通信參數(shù)設(shè)置。具體參數(shù)設(shè)置為，通信設(shè)置:定制;波特率:9600;格式:8，1，E;模式:Modbus-RTU 簡(jiǎn)易主站［7］。

4.2 PLC控制變頻器運(yùn)行、停止

在3G3MX2變頻器Modbus-RTU通信的位地址中，“運(yùn)行指令”對(duì)應(yīng)的位編號(hào)為0001h，該位狀態(tài)設(shè)置為1時(shí)，變頻器運(yùn)行;設(shè)置為0時(shí)，變頻器停止。因此，可以通過(guò)Modbus通信功能碼05h(寫入位地址)改變位編號(hào)0001h的狀態(tài)來(lái)控制變頻器運(yùn)行和停止，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。當(dāng)啟停開關(guān)接通時(shí)，變頻器開始運(yùn)行;當(dāng)啟停開關(guān)斷開時(shí)，變頻器停止運(yùn)行。

圖4 PLC控制變頻器運(yùn)行、停止程序設(shè)計(jì)流程圖

4.3 PLC對(duì)變頻器進(jìn)行頻率給定及狀態(tài)監(jiān)控

在3G3MX2變頻器Modbus-RTU通信的寄存器地址中，“輸出頻率設(shè)定”對(duì)應(yīng)的寄存器編號(hào)為0001 h:(F001 HIGH)高位和0002 h:(F001 LOW)低位，當(dāng)變頻器輸出頻率小于655.35 Hz時(shí)，可只是用0002 h:(F001 LOW)低位。通過(guò)Modbus通信功能碼06 h(寫入寄存器)改變寄存器編號(hào)0002 h的數(shù)值來(lái)控制變頻器輸出頻率，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。當(dāng)頻率給定信號(hào)接通時(shí)，變頻器按照10 Hz運(yùn)行。

當(dāng)使用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控時(shí)，只需要使用功能碼03 h(讀取寄存器的內(nèi)容)，讀取對(duì)應(yīng)的寄存器地址即可，如監(jiān)控變頻器輸出電流，只需要讀取寄存器1 003 h即可。

圖5 PLC對(duì)變頻器進(jìn)行頻率給定程序設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)討論了使用Modbus通信的方式實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器進(jìn)行有效控制及狀態(tài)監(jiān)視的方法，該方法已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在光伏玻璃生產(chǎn)線中得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有性價(jià)比高，線路簡(jiǎn)單，控制性能指標(biāo)良好、可靠的特點(diǎn)。

［1］黃金鳳，張進(jìn)，李占賢，等.PLC與變頻器間的通信實(shí)現(xiàn)［J］.工礦自動(dòng)化，2007，35(5):95-97.

［2］王冬青.歐姆龍CP1系列PLC原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［3］徐世許，王鳳杰，紀(jì)志堅(jiān).使用通信協(xié)議宏實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的監(jiān)控［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(1):37-39.

［4］田二亮，李蓓智，楊建國(guó)，等.基于Modbus的高速電主軸監(jiān)控方案實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(4):142-144.

［5］黃建軍，陳西曲.基于Modbus TCP/IP通信的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.信息技術(shù)，2014，38(5):162-164.

［6］歐姆龍自動(dòng)化(中國(guó))有限公司公司.MX2系列3G3MX2多功能小型變頻器用戶手冊(cè)［K］.2010.

［7］戴一平.可編程序控制器技術(shù)訓(xùn)練與拓展［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.