徐昌紅 余宏翔

海申機(jī)電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)普及到生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面。多種控制模式和手段可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是通過觸摸屏（指令，HMI）+可編程邏輯控制器（PLC）+變頻器（控制）+輔助繼電器+設(shè)備等一系列器件來完成自動(dòng)化控制。這種控制模式的工作原理是：通過觸摸屏人機(jī)界面來發(fā)送指令、設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以曲線動(dòng)畫等形式描繪自動(dòng)化控制過程和參數(shù)；利用PLC編程來實(shí)現(xiàn)邏輯和順序控制；通過變頻器和輔助繼電器來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行。這種常規(guī)控制模式的缺點(diǎn)是：PLC抗干擾能力差，尤其是受變頻器發(fā)出的高次諧波的干擾尤為嚴(yán)重；變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)采集受PLC模塊的限制；采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的方式，響應(yīng)速度和精度差；設(shè)計(jì)線路和接線復(fù)雜、PLC及其模塊成本高；等等。為解決長(zhǎng)期困擾工控行業(yè)的變頻器干擾問題，進(jìn)一步提高控制響應(yīng)速度和精度，降低成本，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)潔的控制，現(xiàn)介紹一種控制模式，省掉PLC和各種模塊、繼電器等輔助器件，用工業(yè)觸摸屏直接通過Modbus-RTU通訊方式來控制和監(jiān)控變頻器的運(yùn)行。

1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 系統(tǒng)邏輯工藝

1.1.1 常規(guī)控制模式（HMI+PLC+變頻器）

常規(guī)控制模式采用HMI+PLC+變頻器控制，觸摸屏和PLC建立通訊后，通過PLC及其輔助模塊（I/O模塊和AI/AO模塊）以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬線連接的方式控制各類變頻器的運(yùn)行和給定運(yùn)行頻率等，見圖1。該控制模式線路復(fù)雜，PLC抗干擾能力差，尤其是受變頻器發(fā)出的高次諧波的干擾尤為嚴(yán)重。

圖1 常規(guī)控制（HMI+PLC+變頻器）邏輯模式

1.1.2 全新的控制模式（HMI+變頻器）

為解決常規(guī)控制模式的種種缺陷，提高響應(yīng)速度、采集較多的運(yùn)行數(shù)據(jù)、降低成本、實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)潔的控制，用工業(yè)觸摸屏通過Modbus-RTU通訊方式，配合宏語(yǔ)言（類似于VB Script語(yǔ)言的格式）編程，來代替PLC實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯和順序控制。該控制模式見圖2，觸摸屏配合變頻器采用通訊方式讀取參數(shù)并進(jìn)行控制，能使控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、抗干擾能力增強(qiáng)，從而使其功能更強(qiáng)大。

圖2 HMI+變頻器控制邏輯模式

1.2 新控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法及注意事項(xiàng)

1.2.1 觸摸屏和變頻器的連線

為順利實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取和控制功能，觸摸屏和變頻器必須具備以下2個(gè)條件：

（1）工業(yè)觸摸屏具備RS-485通訊端口，符合標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU通訊協(xié)議；

（2）變頻器支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU通訊協(xié)議。

1.2.2 通訊參數(shù)設(shè)置

（1）變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器設(shè)置參數(shù)包括：標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議、站號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位等通訊參數(shù)；控制信號(hào)和給定運(yùn)行參數(shù)的來源、地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

（2）觸摸屏通訊端口的設(shè)置

觸摸屏端口的站號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位等通訊參數(shù)必須與變頻器參數(shù)設(shè)置一致，否則無法進(jìn)行通訊。

1.2.3 變頻器功能碼與觸摸屏通訊地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

觸摸屏和變頻器采用Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議。Modbus協(xié)議在一根通訊線上使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。Modbus協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。

Modbus楨結(jié)構(gòu)組成：地址、功能碼、開始地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、CRC檢驗(yàn)碼。在地址對(duì)應(yīng)關(guān)系上要嚴(yán)格遵守Modbus所規(guī)定的楨結(jié)構(gòu)。

例如：發(fā)出的【02 06 08 99 02 58 CRC校驗(yàn)碼】中：02表示站號(hào)為2；06表示預(yù)置單寄存器，寫數(shù)據(jù)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單個(gè)保持寄存器（16位字）；08 99表示開始地址，16#0899轉(zhuǎn)化成10#2201；02 58為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，16#0258轉(zhuǎn)化成10#600；CRC為校驗(yàn)碼。

1.2.4 觸摸屏對(duì)變頻器的程序化控制（宏語(yǔ)言編程）

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精準(zhǔn)的控制功能，采用觸摸屏自帶的宏指令（腳本程序）來進(jìn)行編程，觸摸屏的宏指令提供了應(yīng)用程序之外附加的所需功能，通過宏語(yǔ)句編制的邏輯運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)某些特定功能的函數(shù)運(yùn)算，它可以承擔(dān)譬如較為復(fù)雜的運(yùn)算、字符串的處理、使用者與工程設(shè)備之間的交流等功能。

通過一段宏語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)觸摸屏與變頻器設(shè)備之間讀取數(shù)據(jù)和計(jì)算功能的案例如下：

2 實(shí)際使用結(jié)果與討論

為避免常規(guī)控制模式的弊端而采用了上述新邏輯控制模式，通過實(shí)際應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新控制模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）大大提高了所控設(shè)備的自動(dòng)化程度，縮短了車間部門的生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)圖紙，減少了接線的工作量；（2）采集的數(shù)據(jù)多，可滿足對(duì)精準(zhǔn)響應(yīng)和多數(shù)據(jù)采集的要求，且抗干擾能力強(qiáng)，顯著提高了自動(dòng)化精度；（3）節(jié)約了成本，可以省略PLC及其模塊以及大量的輔助器件，大大降低了電氣成本；（4）現(xiàn)場(chǎng)操作人員無需專業(yè)知識(shí)，操作簡(jiǎn)便、直觀，便于用戶操作和監(jiān)控，界面友好；（5）通過觸摸屏內(nèi)部宏語(yǔ)句編制的邏輯運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)PLC才能實(shí)現(xiàn)的某些特定功能的函數(shù)運(yùn)算；等等。

3 結(jié)語(yǔ)

采用這種全新的觸摸屏，通過Modbus通訊協(xié)議直接控制變頻器的控制系統(tǒng)，通過宏指令編程擴(kuò)展對(duì)變頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序化控制，除了能降低成本、增加讀取運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)量、減少高達(dá)40%的接線、縮短現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的調(diào)試時(shí)間、降低維護(hù)費(fèi)用外，還解決了長(zhǎng)期困擾工控行業(yè)的變頻器干擾問題，并使得操作方便、直觀。

該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在海申機(jī)電總廠（象山）多個(gè)離心機(jī)項(xiàng)目上，用戶長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐的檢驗(yàn)表明，這種控制模式使得電控系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，應(yīng)用前景廣闊。