基于Modbus通訊協議的輻照加速器束下傳輸系統設計

尹 政，李學先

(北京機械工業自動化研究所，北京 100120)

0 引言

輻照用行波電子直線加速器主要用于食品、農副產品、衛生用品的消毒殺菌、殺蟲等工藝處理，具有占地小、效率高、安全可靠的特點。束下傳輸系統是輻照加速器的重要組成部分，是連接輻照裝置高放射區和人工操作非放射區的紐帶[1]。該系統的作用體現在兩個方面：一是可使工作人員和輻射區域安全、徹底的隔離，是重要的安全措施；二是束下傳輸系統的合理設計、控制和運行可以保證高能電子束具有較高的能量利用率，實現大批量連續加工，提高生產效率[2]。

1 設計要求

1) 輻照區在傳輸線左側，為勻速區域，在傳輸線上合理布置了11臺電機，保證受照產品能夠勻速平穩通過輻照區域，受照劑量均勻；

2) 變頻器變頻調速。輻照區域內根據產品種類調整速度，其他部分速度根據人工上下料速度進行調節，使進入輻照區域內的產品排列緊密且能獲得合適的照射劑量，提高輻照射線的利用率；

3) 進料區在傳輸線右側，有180°翻轉機構，滿足受照物品在束下循環照射及上下換面輻照的要求。翻轉機構不用時可隱藏或停止，不影響物料直通，翻轉采用十字叉電機帶動進行2次90度翻轉；

4) 為防止射線對材料的損傷，輻照區不得含有任何非金屬材料，包括輥子和電機，變頻器及電機放置在輻照區以外。照射區段不帶可升降功能，但照射區正下方預留100cm～150cm的間隙，以防電子束直接轟擊傳輸鏈條；

5) 根據廠房實際要求，設計的傳輸線方案如圖1所示。

圖1 傳輸線整體方案圖

2 硬件介紹

2.1 變頻器

選用臺達VFD-EL系列變頻器作為電機驅動器。臺達變頻器廣泛應用于工業自動化控制領域，具有高功率體積比、品質卓越、能針對不同行業開發專用產品的特點；同時，該變頻器具有RS485接口，支持包括Modbus協議在內的多種通訊協議，提供了軟件上的協議和硬件上的物理接口，從而為低成本高性能的通訊控制的實現打下了良好基礎[3]。由于串行通訊指令要遵守特定的指令格式和進行復雜的校驗計算，比較繁雜，因此本設計利用Modbus通訊指令實現PLC和變頻器的通訊。

2.2 通訊線

西門子PLC的通訊口為DB9接口，使用3、8引腳；臺達變頻器為RJ45接口，又稱為水晶頭，使用4、5引腳。接線方法為DB9的3腳接RJ45的5腳，DB9的8腳接RJ45的4腳。11臺變頻器并聯接在一起。

2.3 硬件結構圖

束下傳輸系統是輻照加速器系統的一部分，其監控功能通過一臺西門子S7-200系列PLC實現。該PLC有兩個通訊口，其中一個通過RS485協議和兩臺觸摸屏通訊，實現對加速器和束下系統的控制和狀態監測；另一個通過Modbus-RTU通訊協議和11臺變頻器通訊，實現對變頻器的控制，整體硬件結構如圖2所示。

圖2 監控系統整體框圖

3 軟件設計

3.1 Modbus通訊簡介

Modbus是一種應用層協議，廣泛應用于工業控制領域。在一根通訊線上使用主從應答式連接（半雙工），信號沿著相反的兩個方向傳輸。在該束下傳輸系統中，將PLC作為主機，變頻器為從機，每個變頻器編入獨立地址，首先，PLC的信號尋址到一臺唯一的變頻器，然后，變頻器發出的應答信號以相反的方向傳輸給PLC，PLC通過功能碼設置不同的操作請求。變頻器支持廣播方式，廣播地址為00。Modbus協議只允許在主機和從機設備之間通訊，而不允許獨立的從機之間的數據交換。

3.2 Modbus通訊軟件設計

在使用Modbus通訊對變頻器進行監控時，需要對變頻器參數功能所對應的參數碼進行設置。將主頻率指令和運轉指令來源設定為由通訊RS485輸入；將11臺變頻器分別編入1-11號唯一地址；波特率設定為19200b/s；通訊資料格式設為8,E,1 for RTU，即Modbus-RTU通訊模式。

Modbus協議可使用ASCII或RTU兩種編碼資料。ASCII編碼是將所要傳送的資料先轉化成相對的ASCII碼后再傳送，而RTU則是資料直接傳送，不經過轉化[4]。本系統采用Modbus-RTU資料格式，其字符框架如表1所示。

表1 Modbus-RTU字符框架

使用西門子STEP7-MicroWIN SP9編程軟件進行控制程序編寫。需要添加的庫文件Toolbox_V32-STEP7-Micro-WIN32-Instruction-Library。為了便于程序的修改和閱讀，將束下控制部分作為子程序寫入加速器控制程序的主程序中。Modbus-RTU模式的通訊資料格式框如表2所示。

表2 Modbus-RTU通訊資料格式框

在束下控制程序中，采用循環方式對11臺變頻器進行控制、運行狀態采集和故障監測，程序的運行順序為1號變頻器頻率讀取、電壓讀取、電流讀取、IGBT溫度讀取、故障讀取、頻率設定、啟停控制；接著是2號變頻器，3號變頻器…11號變頻器，然后再回到1號變頻器。每一項任務完成后的標志位，作為下一項任務開始的控制位，以此實現循環監控。

在輻照加速器控制主程序中，加入輻照加速器與變頻器的故障聯鎖功能。一方面，當一個或多個變頻器出現故障時，加速器會停止工作，防止受照產品因過度輻射而質量受損；另一方面，當加速器故障時，傳輸系統也應立即停止運行，以保證受照產品能接受到足夠的輻照劑量。

3.3 監控界面設計

為了方便操作人員在現場進行參數設置和故障監測，使用WinCC flexble西門子觸摸屏組態軟件設計監控畫面，根據束下系統結構和功能將其分為束下控制、狀態采集、故障監測三個子畫面。

束下控制界面如圖3所示。該界面顯示了11臺由變頻器控制的電機所在傳輸線的大體位置及其編號。可設置1-11號變頻器的輸出頻率；單獨或同時控制各變頻器的啟動、停止；當變頻器出現故障時，對應的故障燈會報警，可鏈接到變頻器狀態采集或故障監測界面查找相應變頻器的工作狀態和故障點。

圖3 監控界面

狀態采集界面如圖4所示。可監測1-11號變頻器的輸出頻率、輸出電壓、輸出電流和IGBT溫度等變頻器的主要運行參數。

圖4 狀態監測界面

故障監測界面如圖5所示。可監測1-11號變頻器所對應的過電流、過電壓、IGBT過熱、驅動器過載、電機過載、對地短路、電源欠相、硬件異常、過熱保護等故障，當故障出現時，對應的故障燈變為紅色。

圖5 故障監測界面

4 結束語

該束下傳輸系統較好實現了與輻照加速器的匹配，實現了受照物品的勻速傳輸、循環受照、速度調整等控制過程。現場運行實踐表明，該系統滿足輻照加速器對工業化輻照加工的特殊要求，運行穩定安全可靠，提高了生產效率。但限于技術、硬件等方面的限制，仍存在一些不足，主要有以下三個方面。

1) 由于PLC的兩個通訊口均被占用，在設備調試以及故障檢查時，不能對PLC程序進行實時監控。

2) 在使用Modbus通訊控制時，通訊協議可發送的最大單筆數據位16bit（字），觸摸屏輸入輸出域若出現小數，數據類型需為REAL型（32Bit，雙字），所以，若頻率控制精度要求不高，觸摸屏最小可調精度為1Hz。

3) 本傳輸系統布置了11臺電機驅動傳輸線運動，由于傳輸線左側為輻照區，不能放置電機，且左側兩端為彎道，使得受照產品在進入輻照區域時不能緊密的排列在一起，降低了工作效率。

[1] 李長久,蔡文軒.基于PLC的高能電子輻照加速器束下傳輸控制系統[J].承德石油高等專科學校學報,2008,10(2):21-24.

[2] 于濤,梁石強,尹遠淑,等.輻照工作場所改造中的輻射防護與質量控制[J].同位素,2005,(3):63-66.

[3] 趙雅.臺達變頻器和PLC通訊功能的實現方法[J].變頻器世界,2009(4):81-84.

[4] VFD-EL型臺達變頻器使用手冊[Z]2005:69-78.