基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)

王建華，徐昆鵬

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)

王建華，徐昆鵬

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

針對(duì)多電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速同步控制系統(tǒng)，提出了基于PLC Modbus通訊協(xié)議的控制方案。PLC通過Modbus總線實(shí)時(shí)地向變頻器讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，電機(jī)速度由總線讀入PLC，再經(jīng)過PID處理后調(diào)節(jié)各變頻器的速度給定，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，保證多電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，PID速度閉環(huán)控制無需添加測(cè)速元件，且數(shù)字信號(hào)不易受到干擾。

多電機(jī)；PLC Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊；無傳感器控制系統(tǒng)

0 引言

在輸送機(jī)、印刷機(jī)、造紙機(jī)等設(shè)備中，存在幾個(gè)甚至幾十個(gè)傳動(dòng)軸，以往普遍采用一個(gè)電機(jī)輸出動(dòng)力，通過機(jī)械傳動(dòng)(如同步帶、齒輪等)實(shí)現(xiàn)各軸的同步，這種控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)械傳動(dòng)存在精度差、磨損大、故障多、不易維修等問題。而采用各軸分別由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的同步控制，則可以避免上述問題。

在多傳動(dòng)軸獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如何保證各電機(jī)同步，以及如何實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制是關(guān)鍵。以往普遍采用PLC模擬量控制，采用編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等測(cè)速元件實(shí)時(shí)采集電機(jī)速度并反饋，進(jìn)行PID閉環(huán)控制。這種控制方法硬件線路復(fù)雜，不易維護(hù)維修，模擬信號(hào)存在干擾。針對(duì)上述問題，本文提出了基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)[1]。

1 基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)

基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層為傳動(dòng)控制層，如采用ABB公司的ACS550-01矢量控制變頻器；第二層為PLC控制層，如采用Siemens S7-200 PLC作為主控制器，使用威倫觸摸屏進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，通過Modbus現(xiàn)場總線將PLC和變頻器組成網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)高速通訊，協(xié)調(diào)工作；第三層為上位控制層，采用WINCC組態(tài)監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控整機(jī)運(yùn)行，上位機(jī)和S7-200 PLC之間為以太網(wǎng)通訊。

控制系統(tǒng)的各電機(jī)要求速度同步，而且當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，速度能維持恒定，為此，將PLC Modbus現(xiàn)場總線讀取的電機(jī)速度作為反饋(電機(jī)上無需安裝速度檢測(cè)元件)，再經(jīng)過PLC的PID處理后，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制[2-4]。

圖1 基于PLC Modbus的多電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)

2 ABB變頻器與S7-200PLC之間的Modbus通訊

2.1 Modbus協(xié)議

Modbus是MODICON公司于1979年開發(fā)的一種通訊協(xié)議，它是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的開放的標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，常用的傳輸模式有Modbus ASCII和Modbus RTU兩種。一般來說，通訊數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制數(shù)時(shí)，采用Modbus RTU；數(shù)據(jù)量少且主要是文本時(shí)，采用Modbus ASCII。本文采用Modbus RTU。

Modbus通訊使用主—從協(xié)議，只有主設(shè)備能發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而從設(shè)備只能對(duì)主設(shè)備發(fā)出的指令作出反應(yīng)。本控制系統(tǒng)中主設(shè)備是S7-200PLC，從設(shè)備是ACS550變頻器。Modbus系統(tǒng)在理論上只能有一個(gè)主站和最多31個(gè)從站。

2.2 Modbus通訊電纜制作

ACS550變頻器內(nèi)置RS485作為Modbus的物理接口，支持RTU傳輸模式。硬件上，變頻器的28～32端子用于RS485通訊，使用屏蔽雙絞線連接，如圖2所示。連接時(shí)應(yīng)該注意不要將RS485網(wǎng)絡(luò)在任何點(diǎn)直接接地，使用網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備上的接地端子將各設(shè)備接地，任何一個(gè)接地導(dǎo)線都不應(yīng)構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，并且所有設(shè)備應(yīng)該接到一個(gè)公共地上；為了減小網(wǎng)絡(luò)中的干擾，在網(wǎng)絡(luò)兩端用1 200 Ω的電阻來作為RS485網(wǎng)絡(luò)的終端電阻，使用DIP開關(guān)來連接或斷開終端電阻[5-7]。

圖2 Modbus通訊連接

2.3 ABB變頻器Modbus通訊參數(shù)設(shè)置

當(dāng)S7-200PLC和ABB變頻器的硬件連接好之后，要激活變頻器與PLC之間的Modbus通訊，首先需要設(shè)置參數(shù)9802 COMM PROTOCOL SEL(通訊協(xié)議選擇)=1(標(biāo)準(zhǔn)Modbus)，然后通過修改53組內(nèi)置現(xiàn)場總線(EFB)參數(shù)進(jìn)行通訊設(shè)置，需要設(shè)置的53組參數(shù)如下：

5302 EFB STATION ID(EFB站號(hào))：設(shè)置5302=1；

5303 EFB BAUD RATE(EFB波特率)：設(shè)置5303=9.6kbps；

5304 EFB PARITY(EFB校驗(yàn))：設(shè)置5304=1，即檢驗(yàn)方式為8N2；

5305 EFB CTRL PROFILE(EFB控制通訊配置文件)：設(shè)置5305=0。

ABB變頻器激活Modbus總線控制功能需要設(shè)置如下參數(shù)：

1001是外部1命令，設(shè)置1001=10，表示啟、停、方向信號(hào)來自總線控制；

1102是外部1/外部2選擇，設(shè)置1102=8，表示外部1/外部2選擇通過總線控制；

1103給定值1選擇，設(shè)置1103=8，表示速度給定值來自總線控制。

上述參數(shù)將映射到4xxxx保持寄存器，其中40001～40099映射到傳動(dòng)控制和實(shí)際值，如40001表示外部1命令，40002表示給定值1。其他參數(shù)都可以通過參數(shù)號(hào)前加上4的格式來進(jìn)行訪問，如參數(shù)0102，PLC通過訪問40102寄存器，就可讀出變頻器的實(shí)際輸出速度值[8]。

3 基于PLC Modbus通訊協(xié)議的速度閉環(huán)控制

基于PLC Modbus通訊協(xié)議的速度閉環(huán)控制如圖3所示。首先，S7-200PLC通過Modbus采集電機(jī)輸出速度作為反饋值，并與速度設(shè)定值比較，差值作為速度給定，電流閉環(huán)由變頻器內(nèi)部完成，無需考慮。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無需加裝編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等檢測(cè)元件，直接通過現(xiàn)場總線采集電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，不但降低了成本，而且線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，維護(hù)維修方便。

4 S7-200PLC通過Modbus控制電機(jī)運(yùn)行的程序

4.1 Modbus通訊子程序流程圖

以S7-200PLC控制兩臺(tái)ABB變頻器為例，Modbus通訊子程序流程圖如圖4所示。首先，對(duì)ABB變頻器初始化；然后讀取ABB變頻器運(yùn)行參數(shù)(包括電機(jī)速度、輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率)；最后，向ABB變頻器中寫入啟動(dòng)、停止和速度給定信號(hào)。

圖3 基于PLC Modbus通訊協(xié)議的速度閉環(huán)控制

圖4 S7-200PLC和ABB變頻器之間Modbus通訊程序流程圖4.2 Modbus通訊子程序

圖5為S7-200PLC和ABB變頻器之間Modbus通訊子程序，MBUS_MSG指令的作用是向從站寫入或讀取數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)1用于1#變頻器初始化，S7-200PLC向1#變頻器控制字40001寫入1個(gè)字，而40001映射到ABB變頻器參數(shù)1001(外部1命令)，由于1001=10，表示啟、停、方向信號(hào)來自總線控制；網(wǎng)絡(luò)2中，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)完成后，M0.1得電，并將標(biāo)志位M0.0復(fù)位；在網(wǎng)絡(luò)3中，S7-200PLC向2#變頻器控制字40001寫入1個(gè)字，用于2#變頻器初始化；在網(wǎng)絡(luò)4中，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)完成后，M0.2得電，并將標(biāo)志位M0.1復(fù)位；在網(wǎng)絡(luò)5中，S7-200PLC讀取1#變頻器以控制字40102為首字的連續(xù)5個(gè)字地址，分別存儲(chǔ)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)運(yùn)行頻率、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出功率，讀取的電機(jī)參數(shù)將作為PID運(yùn)算中反饋環(huán)節(jié)，M0.6是最后一條MBUS_MSG完成信號(hào)，執(zhí)行完最后一步將返回網(wǎng)絡(luò)5重復(fù)循環(huán)；在網(wǎng)絡(luò)7中，S7-200PLC向1#變頻器控制字40001寫入啟停和頻率給定信號(hào)，寫入完成并延時(shí)0.1s后讀取2#變頻器的控制字；在網(wǎng)絡(luò)9中，T38延時(shí)時(shí)間到后，S7-200PLC讀取2#變頻器以控制字40102為首字的連續(xù)5個(gè)字地址，分別存儲(chǔ)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)運(yùn)行頻率、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出功率，讀取的電機(jī)參數(shù)將作為PID運(yùn)算中反饋環(huán)節(jié)；在網(wǎng)絡(luò)11中，T39延時(shí)后，S7-200PLC向2#變頻器控制字40001寫入啟停和頻率給定信號(hào)[9-10]。

5 結(jié)語

本文采用S7-200 PLC和變頻器組成的Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，采集各電機(jī)的輸出速度等數(shù)據(jù)，并通過PLC的PID處理后，調(diào)整各傳動(dòng)點(diǎn)的速度。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無需加裝編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等檢測(cè)元件，直接通過現(xiàn)場總線采集電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，不但降低了成本，而且線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，維護(hù)維修方便。

圖5 S7- 200PLC和ABB變頻器之間Modbus通訊子程序

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Study on Multi-motor Sensor-less Control System Based on PLC Modbus

WANG Jian-hua, XU Kun-peng

(School of Electromechanical Engineering, Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou 221140, China)

Aiming at the multi-motor synchronous control system of variable frequency speed regulation, the control scheme based on PLC Modbus communication protocol was put forward. The data were read or written into the converter in real time through the Modbus, the speed closed loop control was realized, to ensure the multi-motor synchronous operation. The experiment shows the control system has the advantages of simple structure, easy realization and stable performance.

multi-motor; PLC Modbus communication; sensor-less control system

1672- 6413(2015)06- 0140- 03

2015- 05- 18；

2015- 09- 29

王建華(1981-)，男，山東臨沂人，講師,碩士，研究方向?yàn)殡姎饪刂啤?/p>

TP273

A

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題(XGY201416)