Modbus協議在變頻調速控制系統中的應用

郭瓊,姚曉寧

(無錫職業技術學院 自控系,江蘇 無錫 214121)

1 引言

變頻調速以其優異的調速和啟制動性能、高運行效率和功率因數以及顯著的節電效果,被廣泛應用于異步電動機調速系統和風機泵類負載的節能改造項目中。自20世紀80年代引進中國以來,變頻器作為節能應用與速度控制中重要的自動化設備,得到了快速發展和廣泛的應用。

在變頻器實際應用中,變頻器頻率設置的方法大多采用面板或外部端子進行設置;在需要經常調整頻率參數或規模較大的調速控制系統等應用場合,由于變頻器一般與現場設備安裝在一起,位置分散、工作環境惡劣,現場面板調整存在操作困難,且容易引起誤操作等問題;而通過外部端子進行模擬量調整時也存在遠距離調整精度偏低、操控不便的問題;通過PLC接變頻器的外部控制端子開關量進行頻率控制,屬于有級調速,限制了應用范圍。

采用Modbus通訊方式控制變頻器是一種比較新的方法,相對于傳統的控制方式,接線簡單,實現方便,可以發揮出變頻器更多的功能,從而解決以上的一系列問題。如可以使PLC以通訊的方式得到變頻器當前的運行狀態,可以進行設備的遠距離操作和信息的雙向交換,工作人員通過監控系統就能準確地把握現場變頻設備的運行狀態并隨時進行控制操作。

2 Modbus通信協議

Modbus協議是MODICON公司開發的一種開放式現場總線通信協議,由于其功能完善而且使用簡單,數據易于處理,因而在各種智能設備中被廣泛采用。尤其適用于小型控制系統或單機控制系統,可以實現低成本、高性能的主從式計算機網絡監控。

Modbus只定義了通訊消息的結構。一個Modbus信息幀包括從機地址、功能碼、數據區、數據校驗碼,對端口沒有具體規定。許多工業設備包括PLC、智能儀表等都在使用Modbus協議作為它們之間的通訊標準。Modbus的數據通信采用主/從方式,主設備可以單獨和從設備通信,也可以通過廣播方式和所有從設備通信。單獨通信時,從設備需要返回一消息作為回應;而以廣播方式查詢的,則不作任何回應。由于Modbus協議具有良好的適用性,已經得到了諸如GE,SIEMENS等公司的應用,并把它作為一種標準的通信接口提供給用戶。

在一個Modbus網絡中有兩種傳輸模式可供選擇,一種為ASCII模式,一種為 RT U模式,選用哪種傳輸模式由主設備進行選擇。RTU模式采用二進制表示數據的方式,而ASCII模式使用的字符是RT U模式的2倍,即在相同傳輸速率下,RT U模式比ASCII模式傳輸效率要提高一倍。因此本文將介紹采用 RTU模式通訊實現PLC控制變頻調速的功能。

3 基于Modbus總線控制的變頻調速系統實現

3.1 控制要求與系統配置

在本系統中,要求PLC和變頻器之間通過Modbus通信,實現PLC控制變頻器,對系統運行狀態進行監控、完成速度設定和運行狀態的調整。在設備選取上,我們選擇了施耐德電氣公司的PLC和變頻器。將PLC做為主站,變頻器設為從站,主站通過站號區分不同的從站,從站在收到主站的讀/寫命令后發送數據。

Twido是施耐德電氣公司的一個功能強大的PLC產品,在其內部集成有Modbus通訊協議,在ATV31型號變頻器中同樣集成有Modbus通訊協議;這樣,PLC控制器就不需要增加模擬量輸出模塊或額外的離散量輸出點,通過借助這兩款產品內置的Modbus功能就可實現比傳統方式更為靈活的控制功能。

TWDLCAA40DRF型號的一體型PLC有2個通信口,端口1用于連接編程電纜,端口2用于連接變頻器;變頻器型號為ATV31H075N4A,該變頻器頻率調整可以采用面板設置、外接端子排控制和總線控制方式。采用Modbus總線連接PLC與變頻器,只需要一根通訊電纜,將8針圓頭一端連接到PLC的通訊端口2上,電纜另一端為RJ45連接頭,連接在變頻器的Modbus口上(即RJ45端口)。系統外部接線如圖1所示。

圖1 系統的外部接線Fig.1 Outside wiring diagram of the system

3.2 變頻器的設置

為了實現PLC對ATV31的Modbus通信控制,需要在變頻器上設置控制方式和通信參數。控制方式設置有以下3個參數。

CTL-LAC設置為訪問高級功能與混合控制模式的管理,選擇參數為L3;CTL-FR1設置為通過Modbus總線給定方式,選擇參數為Ndb;CTLCHCF設置為控制和頻率給定由同一種方式設定的控制方式,選擇參數為SIN。

為了建立正確的通信,還需要在變頻器內設置與通信有關的站號、波特率、奇偶校驗等參數,設置路徑如下。

CON-Add設置變頻器地址,地址在1～247范圍內可選,我們將其值設為2;CON-tbr設置通信速率,設為19.2 kb/s;通過路徑CON-tFO設置Modbus通信格式,參數設為8n1,即8個數據位、無奇偶校驗、1個停止位。

3.3 PLC的配置和編程

PLC的硬件端口配置如圖2所示。點擊“添加選件”,然后選擇“TWDNCAC485D”,在“硬件”中就會出現通信“端口2”。

圖2 PLC的硬件端口配置線Fig.2 Port configuration of PLC

其中端口1采用編程電纜與計算機相連,端口2連接至 ATV31型號變頻器的Modbus接口,其通信參數、數據格式與變頻器設置保持一致。

4 系統運行與監控

變頻器Modbus通訊通常用到的功能代碼是03,06,16和43。在Modbus協議中,變頻器的頻率、電壓、電流等參數值存放在相應的寄存器中;運行、停止、報警等開關量信息則用寄存器的位來表示。因此,PLC通過讀寫相應的寄存器就可以實現變頻器的狀態監控和參數修改。

4.1 系統監控

通過計算機或觸摸屏等人機界面與PLC連接,可以實現對變頻器狀態的實時監控;監控功能通過選擇Modbus的03號功能代碼實現,其含義為讀取指定從站的多個寄存器值。讀取變頻器的參數程序如圖3所示。

圖3 PLC讀取變頻器的狀態Fig.3 PLC reading the status of frequency converter

該程序為主設備對從站2的查詢,其中%MW13中的值為讀出變頻器狀態字ETA的指定地址 W3201,從站的回應值放在%MW15,%MW16,%MW17中。觀察表1所示的動態數據表,%MW15的值為從站地址02和功能代碼03,%MW16為在從站中要讀取的字節數2,%MW17為要讀取的寄存器狀態字的值,16#0227表明變頻器處在正轉加速中。

表1 動態數據表T ab.1 Dynamic data tables

根據需要還可以讀出電機輸出頻率、給定頻率、線電壓等參數,只需要修改程序中的指定地址或讀取的字數即可,從而完成對變頻器各種工作狀態的實時監控。

4.2 參數修改

要改變當前變頻器的運行頻率和電機的運行狀態等參數,需要選用Modbus的16號功能代碼,其含義為寫數據到指定從站的多個寄存器中,即向變頻器的控制字CMD中寫入控制命令和需要調整的頻率,PLC對變頻器寫數據的程序見圖4。

圖4 PLC對變頻器寫數據Fig.4 PLC writing the data to frequency converter

在該程序中,%MW103中的值為變頻器控制字CMA指定首地址W8501,當%MW106的值為16#000F時電機正轉,為16#080F時電機反轉,為16#100F時電機停止。觀察表1所示動態數據表中%MW106～%MW110的值,%MW106中的當前值為16#000F,表明當前電機處在正轉狀態;%MW107為寫入變頻器的頻率值,500表明當前電機設定的頻率為50 Hz,%MW108～110為變頻器的回應值。改變變頻器正轉、反轉、停止及當前頻率值的程序如圖5所示。

圖5 改變變頻器的運行狀態Fig.5 Changing the running status of frequency converter

其中,%I0.12,%I0.13,%I0.14分別為電機正轉、反轉和停止狀態下設定的控制按鈕,%I0.15,%I0.16分別為設定電機頻率50 Hz和10 Hz的轉換開關。若要通過觸摸屏來改變變頻器的頻率或運行狀態,只要在程序中的%I0.12～%I0.16常開觸點兩端并聯一些中間繼電器M的常開觸點即可。表2為電機正轉運行達到50 Hz速度時當前變頻器工作狀態監控的動態數據表。表3為電機反轉運行達到10 Hz速度時當前變頻器工作狀態監控的動態數據表。

表2 電機正轉達到設定速度50 Hz的狀態監控T ab.2 The monitoring status of motor forwarding to the set speed 50 Hz

表3 電機反轉達到設定速度10 Hz的狀態監控T ab.3 The monitoring status of motor reversing to the set speed 10 Hz

5 結論

本系統選取了直接支持Modbus協議的PLC和變頻器,系統連接和編程都非常簡單和直接。使用PLC與變頻器進行Modbus串行通信,有以下優點。

1)PLC采用通信方式進行變頻器參數設置,能夠避免模擬量控制方式造成的漂移誤差和面板控制帶來的誤操作等問題,有效提高系統工作的穩定性和可靠性。

2)可以對變頻器內部諸如電動機電壓、頻率、故障等參數進行實時監控,及時掌握變頻器工作狀態,并可及時根據參數變化情況采取相應措施以保證變頻器正常運行。

3)采用通訊方式,可根據工藝要求靈活、方便地完成對變頻器運行參數的修改和調整,也可與HMI配合使用,操作方式更加直觀、簡捷、靈活。

PLC通過Modbus通訊方式控制變頻器,自動化程度高、投資少,增強了變頻器數據處理、故障報警等方面的功能,而且接線簡單、維護方便、可以實現遠距離控制。若要連接多臺變頻器,只需要選用相應的擴展設備,如接線盒、分配器模塊等,系統擴展非常方便。因而,采用總線結構來實現生產設備控制要求是工業控制的一種發展趨勢。

[1]黃志強,袁廣亮,王立軍.變頻調速器實時監控及信息管理系統的設計[J].電氣傳動,2005,35(5):48-50.

[2]盧文俊,冷杉,楊建軍.基于 Modbus協議的控制器遠程監控系統[J].電力自動化設備,2003,23(6):54-56.

[3]徐成杰,戴峻峰,常波.M odbus RTU模式的變頻器監控系統設計[J].微計算機信息,2009,25(7):90-91.

[4]施耐德電氣公司.A TV31變頻器M odbus用戶手冊CAN-open用戶手冊[Z].2005.