ACS510變頻器的Modbus通信控制

徐小品

（溫州職業技術學院電氣電子工程系，浙江 溫州325000）

0 引言

通用變頻器廣泛應用于風機、水泵的節能調速，其調速方式有本地控制盤、外部模擬量調節、I/O設置多段速、通信控制等方法[1]。化工、冶金、電力等行業，為了降低人力成本、改善惡劣的工作環境，并提升對設備的管理能力，對設備的遠程操作、無人值守的功能有迫切的需求。基于總線通信方式控制變頻器，便于接口擴展，簡化了控制線路的接線，可實現對設備內部數據和參數實時測控，可以很好滿足這方面的需求。為此，本項目針對ABB的ACS510變頻器研究了遠程測控操作的實現方法。設計方案采用了WinCS 組態軟件和PM683 控制器，并利用Modbus總線通信協議，以實現變頻器的遠程測控。

WinCS控制系統是ABB盈控公司推出的面向混合自動化控制的過程控制系統，融合了傳統DCS和PLC優點于一體，并支持多種現場總線標準，在化工、冶金、電力等行業得到了廣泛應用[2]。

控制器PM683是CPU模件，在WinCS系統中作為過程站使用，含有支持Modbus協議的485端口，波特率設置范圍為300～384 000 位/s。

ACS510系列變頻器的輸入電壓為380～480 V，輸出功率范圍為1.1～110 kW，輸出頻率范圍為0～500 Hz，內置支持Modbus協議的總線接口，可與PM683內置的Modbus接口之間實現數據交換。

1 原理

Modbus通信特點：主/從方式，網絡中只有一個主設備，采用查詢-回應方式進行，由主設備初始化系統通信設置，并向從設備發送消息，從設備接收消息后響應主設備的查詢或根據主設備的消息作出相應的動作。

Modbus系統中有兩種傳輸模式：RTU和ASCII，其中RTU模式傳輸效率高，是一種較為理想的通信協議，是應用最為廣泛的工業化協議[3-4]。多數Modbus通信設備通過串口485物理層進行，最多可以接入32個節點設備（含一個主站）。

圖1是控制系統框圖。上位機作為工程師/操作員混合站和PM683控制器之間采用以太網通信，實現程序下載和畫面監控實時通信。控制器PM683和ACS510變頻器485端口之間通過雙絞屏蔽電纜連接，PM683作為Modbus通信的主設備，ACS510變頻器作為從設備使用。

Modbus協議的傳輸內容包括設備地址（站點號）、功能碼、數據、CRC循環冗余校驗碼。在WinCS軟件中，采用FBD塊編程時只需設置前3項內容，最后一項CRC校驗碼由控制器和總線設備自動生成。

圖1 控制系統圖

2 變頻器參數設置

2.1 通信相關參數設置

表1 變頻器ACS510的Modbus相關參數設定

修改變頻器參數時，需要先將面板顯示調到“Par”。與通信有關的重要參數具體內容如表1所示。應注意修改53.xx參數之后，須重新上電激活參數。同時，變頻器面板上的本地遠程按鍵應設置為遠程REM模式。

2.2 其他參數設置

以3 kW變頻電動機為例，電動機額定值參數設置如下：99.05額定電壓為380 V，99.06額定電流為6.58 A，99.07額定頻率為50 Hz，99.08額定轉速為2890 r/min，99.09額定功率為3 kW，99.15功率因數為0.85，最大限制電流為20.03 =12 A。上述參數必須和電動機銘牌保持一致。ACS510變頻器輸出電壓和輸出頻率保持恒定比例輸出（額定電壓范圍內），該比例為99.05和99.07之比。變頻器輸出頻率超過99.07設定的額定頻率時，輸出電壓將等于額定電壓保持不變。

映射區設置如下（變頻器的運行數據將依次分別映射到地址為4、5、6、7、8、9、10、11的寄存器中）：53.10=103表示頻率，53.11=104表示電流，53.12=102表示轉速，53.13=105表示轉矩，53.14=106表示功率，53.15=107表示直流母線電壓，53.16=109表示電壓，53.17=110表示溫度。如果調整了映射區的設置順序，那么相應的寄存器地址中保存的項目將發生改變。

3 WinCS編程步驟

3.1 建項目樹

建立如圖2所示項目樹，通過右鍵插入下一級，建立過程站PS、操作員站OS，并在過程站下插入FBD程序，在操作員站下插入監控畫面FGR。

圖2 建項目樹

3.2 建硬件結構

如圖3所示，在硬件結構目錄HWSYS下，插入過程站WNC680和操作員站WinHMI，并對WNC680和WinHMI進行資源指定，資源名稱與項目樹對應。選擇過程站的CPU模件為PM683，在PM683 模件下插入Modbus 主站MODM_DEV，并把主站參數設置為RTU格式、RS485模式、波特率19 200 位/s、停止位1位、無奇偶校驗。Modbus主站參數應該和變頻器的通信參數完全一致。

圖3 硬件結構

3.3 配置網絡

分配工程師站、操作員站、過程站的IP地址和資源ID號[5]，如表2所示。網絡配置表的IP地址、資源ID號應與WinAdmin的設置、電腦IP地址、PM683的IP地址對應，且每種資源的ID號應是唯一。

3.4 FBD塊編程

通過查詢ACS510的Modbus技術協議地址表，獲得變頻器啟動、停止、轉速給定和電動機轉速的地址表信息如表3所示。

表2 網絡配置

表3 Modbus通信地址表

讀寫線圈與寄存器這些常用的Modbus功能碼在WinCS軟件上有專用的FBD塊[6]。插入與功能碼對應的FBD塊，設置其參數。功能碼為03（讀取保持寄存器）的FBD塊設置如圖4所示，表示讓PM683控制器在2號從站的變頻器上讀取6號寄存器。

圖4 FBD塊設置

ACS510變頻器的最高轉速給定值默認為20 000，該數值對應輸出頻率的限制值。因此在進行轉速給定的時候需要進行SCAL功能塊的量程轉換。以限制值50 Hz為例，轉換系數比為±50：±20 000。轉速控制的FBD塊程序如圖5所示，應用功能碼06（Modbus寫寄存器）的FBD塊。由于轉速的給定值是Real實數型，應變到Word字型，才能被Modbus功能塊接受。為此，應經過數據類型轉換塊變為int整數型，再經過整數型到字型的轉換。當數據類型未匹配時，在程序檢查后信號連線將自動變成紅色。

圖5 寫入轉速給定值

變頻器的啟動與停止控制程序如圖6所示，采用了功能碼為05（寫線圈）的FBD塊。停止命令和啟動命令共用一個變量“@啟動與停止”，但是停止命令應先對輸入變量進行取反操作，圖6中Modbus05-2的W01引腳上的實心黑點表示取反。

圖6 啟動與停止命令寫入

速度的測量如圖7所示，用到了功能碼為03（寫寄存器）的FBD塊。ACS510的轉速輸出單位默認是“r/min”，因此不需要量程轉換。ACS510變頻器通過Modbus傳輸輸出的速度值，來自變頻器的內部計算產生，該信號并未非來自速度傳感器。

3.5 操作員站的監控畫面編程

操作員站目錄下插入FGR畫面節點，如圖8所示，在畫面中設置操作按鍵并分別關聯到程序的啟動和停止變量。速度給定和實測速度的顯示分別關聯到對應變量。

圖7 讀取電動機轉速值

圖8 變頻器轉速監控畫面

利用趨勢圖可以觀察變頻器、電動機的運行數據的歷史變化過程。趨勢數據采集的方式多樣，可以在操作員站下插入趨勢節點，或者在FGR畫面中插入趨勢圖，或者用OPC趨勢服務器和網關實現。一張趨勢圖最多可以顯示6條測量曲線，可分別關聯到對應的6個測量變量。以趨勢節點插入的方式為例，其實現步驟如下：在FBD程序中插入趨勢采集塊（含標簽名設置），將趨勢采集塊的輸入信號連接到某個待觀測的變量。然后在操作員站下插入趨勢節點，設置參數時選中“使用采樣功能塊”，然后輸入相應的趨勢塊的標簽名。為了能在實際運行中觀測到趨勢曲線，還需在WinAdmin窗口中把計算機的運行時鐘和過程站的時鐘設置為“允許時間同步”。由于過程站的IP地址尾號小于計算機的IP地址，當開啟“時間同步”并加載程序后，計算機的系統時間將發生變化，與過程站的內部時鐘自動保持統一。這種方式記錄的變頻器運行數據曲線，默認為5 s更新一次。

4 結語

WinCS系統的FBD塊編程語言是一種便捷的編程語言，結合Modbus通信協議，可實現對ACS510變頻器的遠程操控、數據實時監視。編程過程中，應該注意以下內容：

1）FBD塊的信號連接時，應做好整數、實數、布爾量等數據類型的匹配轉換。字型數據類型轉換為實數型時，不能直接轉換，需要經過二次類型轉換。

2）ACS510變頻器用戶手冊所提供的Modbus通信地址應該減去1后才可用，這點容易被忽視。

3）WinCS系統的FBD塊只提供了常用的功能碼：01、02、03、04、05、06、08、15、16。其他的功能碼在WinCS軟件中沒有對應的FBD塊。

4）當操作連續地址的多個寄存器（或線圈）時，可以采用8或16個寄存器（或線圈）的FBD塊，一次性讀寫所有變量，讓程序更加簡潔。

5）PM683的內置485接口應設置為Modbus主站，而不是從站。波特率、奇偶校驗、停止位應該和從站保持一致。

6）趨勢曲線的采集和顯示有多種手段可選，采用趨勢節點的方式是較為簡便的途徑。