數字化熔噴機雙重通信網絡架構的設計與實踐*

卞茂華，黃曉偉，宋黎菁，董淑暢，周 濤

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164）

引言

熔噴機是熔噴布的重要生產設備，是疫情防控的重要物資之一。在一些小企業中，還在沿用老舊的生產設備，產品質量無法保證。目前在有些企業中，雖采用變頻器進行螺桿調速，實現了部分自動化控制，但仍對運行過程中的具體數據和運行參數缺乏采集。鑒于此，本文提出利用三菱PLC 利用MODBUS 通信和CC-LINK 網絡，基于熔噴機在制造熔噴布時的生產工藝，對螺桿擠出機、計量泵、傳送帶等單元具體數據和運行參數進行采集，從而對變頻的PID 調速，以保證熔噴布的品質。

MODBUS 在工控領域中已經廣泛應用，成為一種工業標準。MODBUS 通信網絡如果是采用RS-485 通信，則可使用1 臺主站控制32 臺從站，如果采用RS-232C 通信，則1 臺主站只能控制1 臺從站。不同廠商的控制設備可以通過MODBUS 協議實現數據傳輸，如今許多的工控產品，例如：PLC，變頻器，檢測儀表等，大都支持MODBUS 協議。通過MODBUS 協議與PLC 通過RS485 接口實現通信，大大減少了接線工作量，簡潔方便。CC-LINK是三菱推出的一種設備層現場總線，由1 個主站和最多64 個從站組成，其底層通信協議遵循了RS485。CCLINK 網絡使用簡單，應用廣泛，具有優良的抗干擾性能，數據傳輸速度快，傳輸距離遠等特點。

1 系統方案設計

系統方案框圖如圖1 所示。本系統采用了一臺三菱Q 系列 PLC 和兩臺 FX 系列 PLC，Q 系列 PLC 為主站用于數據的處理和計算、兩臺FX 系列PLC 為從站，一臺PLC 用于接收溫度數據，一臺PLC 用于采集變頻器轉速、負載數據，發送指令，從站通過CC-LINK 網絡將數據發送給主站。Q 系列PLC 連接人機界面，用來顯示溫度、變頻轉速、運行狀態，監控系統。其中從站PLC 增加了特殊功能模塊：FX3U-485ADP-MB，用于MODBUS 通信。

圖1 系統方案設計

2 變頻器設置

本系統以FR-E700 系列變頻器為例，PLC 與多臺變頻器MODBUS 通信，變頻器通信接口為“PU”接口，采用568B 標準的網絡線與FX3U-485ADP-MB 相連接，如圖2 所示。表1 為1 號變頻器參數設置。其中P117 為變頻器站號設置，1 號變頻器 P117＝1，從站地址為 1；2 號變頻器 P117＝2，從站地址為 2；3 號變頻器 P117＝3，從站地址為3……其它參數所有變頻器一致。表1 為1 號變頻器參數。

圖2 變頻器通信接線

表1 1 號變頻器參數

3 CC-LINK 網絡

3.1 通信原理

主站與遠程設備站之間基于鏈接掃描和自動刷新具有相應的通信關系，如圖3 所示。主站與遠程設備站之間的通信原理如下：PLC 分別在CC-LINK 模塊和CPU 中開辟出一塊緩沖存儲器（BFM），數據儲存在初始環節BFM 中，然后通過自動刷或鏈接掃描到達下一個環節的BFM 中，實現數據的傳輸，從而實現主站與遠程設備站之間的通信。

圖3 主站與遠程站通信關系

3.2 硬件設置

主站與從站進行CC-LINK 網絡通信時，需先進行外部硬件設置，主站QJ61BT11N 硬件設置：STATION NO設置為00，MODE 為0。從站一FX2N-32CCL 硬件設置：STATION NO 設置為 01，OCCUPY STATION 設置為 1，占用兩個邏輯站，B BATE 設置為0，波特率為156Kbit/s。從站二FX2N-32CCL 硬件設置：STATION NO 設置為02，OCCUPY STATION 設置為1，占用兩個邏輯站，B BATE設置為0，波特率為156Kbit/s。

此外，本系統連接主模塊、從站模塊采用專用通訊線，具有優良的抗干擾性，。模塊間連接如圖4 所示。

圖4 模塊間連接

3.3 軟件設置

實現主站與從站的通信，還需在主站網絡參數里設置CC-LINK，主站程序內CC-LINK 網絡參數設置：起始I/O 號設為 0020；遠程輸入：X100，遠程輸出：Y100；遠程寄存器讀：D200，遠程寄存器寫：D100；站信息 01，02 都設置為遠程設備站，每個站占用2 站，遠程站點數為64點。

4 通信編程

4.1 PLC 與變頻器通信程序

本系統中MODBUS 通信時不需要在PLC 編程軟件參數設置中的CH1 或CH2 中設置通道串行通信參數，反而需要在程序中的一開始，通過MODBUS 通信設定專用的特殊輔助繼電器M8411 和MOV 指令通過常數賦值特殊數據寄存器來設定通信格式。PLC 主站通訊設置程序如圖5 所示。其中需要注意，如果當M8411 常開觸點使用了2 次以上時，僅最后一次設定的MODBUS 通信參數有效。

圖5 PLC 主站通訊設置程序

PLC 作為變頻器主站，因采用FX3U-485ADP-MB作為通信模塊，其使用方式只要加裝在PLC 左側，再使用ADPRW 指令可達到 MODBUS 直接控制 MODBUS RTU 設備。并省掉復雜的CRC 運算達到節省程序撰寫的方式。ADPRW 功能代碼樣例如圖6 所示。

圖6 ADPRW 功能代碼樣例

圖7 從站1 部分通信程序

圖8 MCGS 監視界面

4.2 主站PLC 與從站PLC 通信程序

CC-LINK 的通信形式可分為 2 種方式：循環通訊和瞬時傳送，本系統采用瞬時傳送的形式，因此從站程序中通過DFROM（對BFM 指定位的讀取操作）、DTO 指令（對BFM 指定位的寫入操作）與主站的數據通信。從站1部分通信程序如圖7 所示。

5 人機界面設計

本項目采用MCGS 觸摸屏，主要完成現場數據的采集和監測，MCGS 與QPLC 的通信鏈接：打開工具箱選擇通用串口父設備，子設備三菱Q 系列編編程口，設置設備屬性值：串口端口號為0-COM1，通訊波特率為6-9600，數據位位數為1-8 位，數據校驗方式為1-奇校驗。設置三菱Q 系列編程口屬性：設備地址0，PLC 類型三菱Q02UCPU。

人機界面設計主要由趨勢曲線、報警記錄、監視界面等構成。MCGS 界面如圖8 所示。趨勢曲線：根據實時采集溫度、頻率參數自動形成趨勢曲線，方便用戶觀察變化趨勢。報警記錄：當變頻器異常或者溫度參數異常，由報警界面提供報警功能并做歷史記錄。監視界面：用戶通過此界面實時觀察溫度、各站變頻器運行狀態，運行頻率等參數。

6 結束語

通過使用 Q 系列 PLC、FX 系列 PLC、CC-LINK 網絡、MODBUS 通信以及MCGS 組態軟件，實現了溫度的采集、對多臺變頻器的控制，該設計通過MODBUS 系統現場各項參數進行監測和控制，大大提高了生產的熔噴布品質，在95 熔噴布以上，趨近于高端的99 熔噴布。通過CC-LINK 網絡實現PLC 之間信息傳輸，使系統的實時性、開放性、可靠性提高，具有較強的可操作性和實用性。通過使用RS485 通信和CC-LINK 網絡，使設備電氣控制更加簡潔、便利。建立不同控制系統之間的MODBUS 通信是自動化工程中常見的案例，也是技術難點之一。因此，操作工程師不僅要對 MODBUS 通信協議的基本原理有較深理解，還要熟悉通信兩端控制系統的硬件結構與指令系統，這些經驗均需要在實踐中不斷積累與提升。本項目技術路線圍繞著PLC 網絡通信進行運行和調試，在其他設備均采用模擬量和數值量控制的情況上，采用全新的網絡通訊方式，體現了運行速度快，導線連接少，工程硬件接線工作量小，調試方便快捷的特點。