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基于MODBUS 协议的台达PLC 控制多台变频器应用研究

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基于MODBUS 协议的台达PLC 控制多台变频器应用研究

发布日期:2019-09-05 编辑: 点击:

在智能制造技术高速发展的今天,PLC 自动化控制技术起着至关重要的作用,特别是通过PLC 控制变频器技术应用Z为广泛。本文以食品加工中配料控制系统为例,如果以常规的PLC 控制变频器的调速模式,则在食品加工的不同环节需要安装1 台PLC 控制、1 台变频器来满足控制加工需求。多台PLC 的控制,增加了硬件设备投入,如花生糖的加工环节,需要将花生、果仁、芝麻、糖浆等原料分开炒制,并且需要不同的搅拌速度,这就需要PLC 协调控制几台变频器,产生不同的转速完成。采用这一种网络通讯连接控制技术,既做到了加工工艺的统一协调,又避免了因增加PLC 投入造成硬件成本的增加。采用基于MODBUS /RTU 协议的通讯连接,可以实现PLC 对多台变频器的控制,不但节约了硬件投入成本,又具有集成化程度高、协调控制能力强、各硬件连接简单、易操作性等优点。这种控制功能与变频器功能相结合来实现,并可达到利用PLC 与变频器之间的通讯功能实现远程控制,同时增强了变频器对数据处理,还可方便实现故障报警等方面的功能。本文重点先容利用MODBUS 通讯协议实现PLC 控制多台变频器运行系统的App设置和硬件调试。


1 MODBUS 先容

MODBUS 协议是由美国MODICON( 莫迪康) 企业推出的基于RS485 总线通讯协议。该协议是一种串行半双工通信协议,主要提供ASCLL 码和RTU 两种通信方式。RTU 的通信方式比ASCLL 码快,其标准物理接口为RS232 /RS422 /RS485,传输速率可以达到115 kbps。由于MODBUS 协议是完全公开透明的,所需的软、硬件又非常简单,它已成为一个通用工业标准,几乎所有的控制设备和智能化仪表都支撑MODBUS 通信协议。通过此协议,可以将不同厂家的控制设备和智能化仪表连成一个工业控制网络,通过上位机进行集中控制。


2 MODBUS 通信方式

2.1 通信格式

1) RTU 通信方式的字符通信格式规定如下:1 个起始位; 8 个数据位; 1 个校验位,无校验位; 1 个停止位( 有校验时) ,2 个停止位( 无校验时) 。所以MODBUS RTU 通信格式就只能是8,E,1; 8,0,1和8,N,2 三种。

2) RTU 方式与ASCLL 方式除了通信格式有差别外,主要区别在于ASCLL 方式必须将16 进制符号转换为ASCLL码才能传送,而RTU 方式是直接按16 进制符合发送,不需要转换,所以RTU 通信方式比较快。

2.2 数据格式

MODBUS RTU 通信数据格式如图1 所示。

台达PLC 控制多台变频器应用研究

1) 地址码: 从站的地址( 8 位,2 位HEX 数) ,01H~FFH。

2) 功能码: 主站发送,告诉从站实行功能( 8 位,2 位HEX 数) ,01H~ FFH。

3) 数据区: 具体的数据内容( n × 8 位,2n 位HEX数) 。

4) 校验码: LRC 校验码( 8 位,2 位HEX 数) ,检验码的范围为由地址开始到数据区结束,不包含起始码。由上可以发现,RTU 方式数据格式没有帧头和帧尾。MODBUS 通信协议RTU 方式规定,信息帧的发送至少要以3~ 5 个字符的时间间隔开始。网络设备在不断地侦测总线的停顿时间间隔,当第1 个字符( 地址码) 被收到后,每个设备都要进行解码判断是不是发给自己的。在Z后1 个字符( 校验码) 被传送后,至少3 ~ 5 个字符的停顿才标志发送结束。如果2 个信息帧没有时间间隔,接收设备会认为第2 个信息帧是第1 个的延续,这将导致报错,不能达到准确进行数据信号传输功能。


3 MODBUS RTU 控制多台变频器

3.1 PLC 控制多台变频器系统构建

基于食品加工的控制要求,在加工中往往需要根据温度、时间、干湿程度等物理量来控制各种原料的加入时间和速度。由于这些物理量在工业控制中都是以模拟量的形式呈现,这就需要阀门、输送流水线、泵的开启程度和旋转速度实时地作出变化调整。传统的转速给定是由操作面板上的操作电位器的旋转给变频器一个0 ~ 10 V 的电流信号,或者利用其自带的控制端子组合出多段速进行控制,这种方式缺点是:

1) 各变频器运行参数无法准确在运行中实现;

2) 控制电位器操作按钮由于经常旋转操作频繁,使故障率增高,使用寿命下降;

3) 由于变频器一般安装在控制柜中,较难直接观测并获取面板上的频率信息;

4) 如果要改变其运行参数,需手动多次调试,自动化程度不高;

5) 多段速调节不能做到线性控制。因此,必需在控制方式上加以改进,构建如图2 所示的控制系统,通过触摸屏实现系统的PLC 控制,利用MODBUS 通讯实现用PLC 控制变频器运行,同时又能通过触摸屏监控变频器运行状态,这里不叙述模拟量的采集过程,直接将其读取到的数值用于控制变频器的频率。下面先容如何利用MODBUS 通讯协议实现台达PLC 控制3台变频器运行系统( 控制多台原理类似) ,使得电动机转速、方向、转矩以及变频器运行参数等控制变得十分容易和精确。图2 为MODBUS 控制系统框图

台达PLC 控制多台变频器应用研究

3.2 PLC 控制多台变频器系统的硬件选取和连接

1) 系统硬件的选取和系统搭建

基于PLC 控制多台变频器系统的控制理论基础,选用台达PLC 为DVP-12SE 为控制上位机,选用3 台台达VFD004EL43A 变频器作为系统控制器,选用电动机作为系统的实行机构实现运动( 图3) 。

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DVP-12SE 型PLC 是台达的SE 系列的网络主机,具有8 点输入、4 点输入出的I /O 接口,采用24 V 的电源供应和继电器输出方式。它除了具有快速实行逻辑运算、丰富指令集、多元扩展功能卡及高性价比等特点外,还支撑多种通讯规范,使工业自动控制系统联成一个整体。台达变频器VFD004EL43A,适配电动机功率0.5 kW,额定电压三相AC460 V,内置滤波器,V/F 开环电流型控制方式,PWM 控制和EL 自动的加减功能。

2) 系统硬件通讯介质选择

选取RS485 串行通讯接口搭建传输通道,因为RS485 接口组成的半双工网络,一般只需要2 根连线,所以对RS485 接口连接并没有强制统一的规定,Z初一般采用DB9 的9 芯插头座[5]。与智能终端连接,普通微机一般不配备RS485 接口,但工业控制微机基本上都进行了配置。

在变频器PLC 中,可用接线端子进行双绞线连接,也可用水晶头RJ45 或RJ11。因为双绞线使用广泛,接头制作方便,所以连接通信介质选定为双绞线。在连接时,PLC 侧通信接口为2 个压线端子( 图4) ; 在变频器侧为RJ45 接口,用到其中的4 号脚和5 号脚( 图5) ,选取好通讯介质与接口后将设备连接起来,设备之间的电源连接则要参照使用手册。

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3.3 PLC 控制多台变频器的参数设置操作

在进行PLC 控制多台变频器系统的硬件选取和连接后,先在PLC 侧设定通讯格式与相关参数,然后在变频器侧设定通讯格式与相关参数,再设置确定发送与接收内容。只要满足正确的协议、接口、发送数据方式,便可以实现通信控制,这也是MODBUS 控制的方便与优点。本文规定双方通信格式为9600,8,N,2,即是通信的波特率9 600 bps,8 个数据位,无校验,2 个停止位。

1) PLC 侧的通讯参数设置

根据台达编程手册可知设置通信格式需要给D1120赋值,表1 为PLC 通讯参数设置表。根据表1 所给定的参数,需要设置b15-b0 为0000000010001001 换算为16进制为H89,将此值转送到D1120 中,并将PLC 侧的通信格式设置为9600,8,N,2。

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2) 变频器侧的通讯参数设置

根据台达变频器手册( 表2) ,本文设置的运转命令来源于变频器参数2.01 为3、通讯地址参数9.0,一号变频器设置为1,二号变频器设置为2、通讯速率9.01 为1、通讯数据格式9.04 为3。由此保证了变频器通讯格式为9600,8,N,2。

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3) 确定发送与接收内容

为了实现用PLC 控制正反转、停止、设置与监视当前频率,需要知道变频器的具体功能码( 表3) 。根据表3 以及MODBUS RTU 数据格式可知,如果要利用变频器控制电动机的正转就需要向变频器2000H 地址写入10010 及12H,变频器就会实行正方向启动的信号。这些控制程序还需要在PLC 里编写。

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3.4 PLC 控制多台变频器控制程序的编写和调试

台达PLC 以及其他PLC 都开发有MODBUS 读写的方便指令,台达PLC 提供MODRD 和MODWR 来实现数据的读写,具体格式如图6 所示。

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基于MODRD 和MODWR 指令,编制台达PLC 控制程序( 图7) 的步骤主要如下:

a) 设置变频器通讯格式: 将H89 存入D1120 中,即设置了PLC 的通讯格式为9600,8,N,2。

b) 设置变频器通讯协议: 通讯设定时要用到M1120即为保持用。PLC 在第1 次程序扫描后会根据特殊数据寄存器D1120 的设定,作通讯协议的重置。在第2 次程序扫描开始,当通讯指令实行的瞬间,都会先根据特殊数据寄存器D1120 的设定,作通讯协议的重置。若用户的通讯协议是固定的,可将M1120 设为ON,此时,每次通讯指令的实行便不再作通讯协议的重置,即使改变D1120 的设定,也不会改变通讯协议。

c) 设置变频器通讯模式: 将M1143 置ON,设定为RTU 模式。

d) 设置变频器数据传送: 数据传送用到M1122 即为送信要求。当用户要利用通讯指令将数据传送与接收,必须用脉冲指令将M1122 设为ON,若上述指令开始实行,则PLC 开始实行数据传送接收的动作。当数据传送完毕后会自动将M1122 清除。

e) 设置数据存储: 在进行控制时,PLC 要实时存储要传输的控制数据。当实行MODRD 指令后,PLC 系统会自动将接收到的数据存入D1050-D1055 中。

f) 控制变频器运动方式: 当M1 置为ON,向1 号变频器2001H 地址里写入D1 里的值,实现改变变频器频率。

1) 当M2 置为ON,向1 号变频器的2000H 地址里写入值H1,实现变频器停止功能。

2) 当M3 置为ON,向1 号变频器的2000H 地址里写入值H12,实现变频器正转功能。

3) 当M4 置为ON,向1 号变频器的2000H 地址里写入值H22,实现变频器反转功能。

f) 变频器运动状态数据采集: 当M11 置为ON 向1 号变频器的发送2102H 并读取一笔数据,在将此数传送到D11 中,实现读取变频器频率功能。

g) 其它变频器的控制设置: 2、3 号变频器实现以上功能只需修改站号即可,这里就不再赘述。

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4 MODBUS 控制通信技术应用

上文已阐述了基于MODBUS 通信方式下台达PLC 控制变频器的设计和硬件连接。利用传统的方式控制多台变频器达到线性调速相比利用MODBUS RTU 进行控制要复杂得多。而且MODBUS RTU 在硬件搭建上只需2 根导线在接口要求上也比较简单,而且大部分厂商的控制设备以及智能仪表都支撑此协议,由于采用485 串行通讯接口传输距离Z大为1 200 m,在1: N 主从方式中,RS485 的节点数是1 发32 收,即1 台PLC 可以带32 台通信装置,在App上厂家对数据传输也开发的有方便指令,这大大地减少了编程难度。


5 结语

此次工业自动化的通信技术研究和应用,是基于MODBUS /RTU 协议以台达品牌的PLC 与多台变频器作为研究载体,对于其他自动化控制设备在这方面的应用有一定的参考价值。对于该系统的搭建通讯应用只是工业控制中的一部分,以此为基础,可开发出满足更多工业控制需求的系统,可构建信息化和工业化高度融合的现代工业控制系统。


深圳亿鑫是台达华南一级代理商。已连续几年蝉联台达伺服,台达数控,台达变频器,台达PLC,运动控制轴卡,温控器,压力表产品销售冠军,是台达高度认可的商业合作伙伴。深圳亿鑫将本着质量+服务=信誉的原则,竭诚为客户提供周到、满意的变频器安装、调试和产品配套等服务工作.

本文网址:/news/505.html

关键词:台达PLC,变频器,PLC

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