Modbus技术在变频调速系统上的应用
发布时间：2012-3-13 23:08
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1 引言 预缩机是印染行业中织物后整理的最后一道工序，它是将织物经过机械物理预缩（橡胶毯）的方法，使其预缩率降低，手感改善。基本配置由四个单元组成：给湿单元、橡胶毯预缩单元、呢毯整理单元和出布单元。给湿单元完成预缩前的给湿准备，以使织物拥有一定的含湿量，便于织物预缩。其拖动部分为一只糙皮辊。由一个2.2kw电机拖动。橡胶毯预缩单元是本机的核心，主要是通过橡胶毯挤压以使织物经向产生收缩。挤压由一个φ616mm的辊筒和另一个辊筒的相对运动完成，拖动由一个15kw的电机完成。呢毯整理单元主要用以烘干织物和改善手感，由一个3kw的电机拖动一个φ2000mm的大滚筒完成。出布单元由一个1.5kw的电机拖动摆布斗完成。 其工艺流程：进布单元→橡胶毯预缩单元→呢毯整理单元→落布单元。 2 系统配置方案 在本方案中，触摸屏采用日本proface公司生产的gp系列，plc采用西门子公司s7-226系列，变频器采用丹佛斯vlt2900系列，由于该系列变频器内已经内置了rs485接口且支持modbus协议，故这使该系统性价比非常高。s7－226系列的cpu内置了两个通信口，这两个通信口都为rs485接口，均可在三种方式下工作，即ppi方式、mpi方式及自由通信口方式。ppi是point-to-point的缩写，即点对点方式，是西门子公司专为s7－200系列开发的一个通信协议，在本案中，笔者可把其中的一个通信口设置为该方式，用以连接hmi，进而做人机交换信息用。而第二个通信口我们把它设置成自由口通信方式。自由口通信方式是s7－200系列非常有特色的功能。在该方式下，依据和他通信的其他设备的公开的通信协议来编程s7－200的通信。笔者在本方案中用它连接变频器以实现它们之间的相互通信。相关系统框图如图1所示（基于本文阐述的重点，其它的如变频器和电机组成的自反馈系统不再画出和赘述）。 
3 自由口通信和modbus协议 自由口通信和modbus协议在s7-226和丹佛斯vlt2900系列变频器的应用过程如下： 3.1通讯协议及其在plc和变频器上的基本设置 既然双方控制器要建立通信，它们必将共同遵循一定的规约，这即称之为协议。本系统中，plc建立的通讯规约将依从于变频器的规约，即modbus协议，这是因为s7-200支持自由口通信模式。 （1）自由口通信模式 cpu串行通信口可由用户程序控制，这种操作模式称作自由口通信模式。在该模式下，用户程序可以使用接受中断、发送中断、发送指令（xmt）和接受指令（rcv）来进行通信操作。利用该模式，plc可以和任意第三方串口进行通信。smb30（用于端口0）和smb130（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通信协议。 （2）modbus通信协议 modbus通信是一种被用于在智能设备间建立主从方式的通信，它可以通过如rs232c、rs485等多种传输方式进行传播。它分为两种串行传输方式：ascii和rtu（remoteterminalunit，远程测控中断）。它们定义了数据如何打包、解码的不同方式。丹佛斯vlt2900系列支持的是rtu方式，其格式是： 
其中奇偶校验和停止位可以是0，即可以没有。 modbus由一个主站（plc）和最多31个从站（本系统中为4个）组成。主站负责发送指令，从站则是响应指令。在某一时刻，只能有一个从站能和主站进行连接。 丹佛斯vlt2900系列变频器内置了rs485物理接口，且同时支持modbus协议。其相关的参数如站地址、波特率、校验等在561＃、500＃、570＃及501＃参数组内设置。 3.2 plc和变频器通信的信号格式 （1）丹佛斯vlt2900系列变频器支持标准的modbus－rtu信号，其格式如下： 
驱动器地址：本文为变频器地址。值为0～32，若设定为0，即为广播方式，则从plc同时向所有的变频器传送指令信号，而变频器不反馈响应信号。 功能码：丹佛斯vlt2900系列支持以下几种功能码（16进制）。 
数据：存储寄存器地址和数据组合构成一组数据。因指令的内容不同数据长度不同。 故障检查：对于rtu方式，一般采用crc－16的方式进行，后面将做进一步的说明。 （2）丹佛斯vlt2900系列变频器编址 既然plc与变频器通信时操作对象是存储器，故变频器内部必须有plc能识别的存储器地址相对应。变频器生产厂家不同会导致其编址方法的不同。丹佛斯vlt2900系列变频器编址和你在其说明书上看到的参数号是遵从一等式的，即 参数地址（hex）＝［（参数号×10）－1］（dec）。 （3）modbus信号举例 通过重写控制字与参考值的方式，启动电机并使之运行在50％的转速下： 指令信号：［01］ ［0f］ ［00］ ［00］ ［00］ ［20］ ［04］ ［7c］ ［04］ ［00］ ［20］ ［9d］［01］ 该指令中： ［01］为驱动器地址 ［0f］为功能码，是指本命令为写多个位存储器指令； ［00］ ［00］指出将要写入数据的起始地址为位存储器的首地址。 ［00］［20］为写入长度，20hx＝32dec位数据。 ［04］为要写入位的总字节数为4个。 ［7c］ ［04］ 047c是启动电机的控制字内容，在实际传输中为低位前置。 ［00］ ［20］为电机运行的参考值，在实际传输中低位前置。 ［9d］ ［01］为计算出的crc-16值 正常时其响应信号应为： ［01］ ［0f］ ［00］ ［00］ ［00］ ［20］ ［54］ ［13］ 按频率指令60.0hz传送到1＃变频器（地址为01）， 指令信号：［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］ 正常时响应信号为： ［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］ 3.3信号的发送和接受指令 当信号格式被确定后，笔者所要做的是从plc如何把它们发送出去和如何接收变频器的响应信号了，在自由口模式当中，信号可以用xmt命令发送，用rcv命令接收，另外，还可以利用smb2（接收缓冲字节）配合其它如mov指令等来实现字符的接收。在s7-200系统中，设计了诸如发送完成、接收完成等中断事件，则将很方便的通过它们来控制整个程序的运行。 4 plc程序的设计 （1）数学模型 由于各个单元间是采用线性比例同步的，所以构建其数学模型非常简单，只要使某单元的转速和其相邻上一级单元遵循数学公式v1＝k×v2即可。为了调节两单元之间的张力，只需调节两单元间比例k即可。这里需提醒注意的是：某一单元的转速必须以上一级为基础进行比例调节，这样才不至于在调节单元的速度时，影响其它单元间的张力。 （2）程序框图及其说明 程序框图如图2所示。 
（3）程序结构说明 程序结构包括主程序、初始化子程序、停车子程序、开车子程序、比例设定子程序和速度计算子程序。其中与通信有关的程序有crc-16校验程序、发送中断程序、接收中断程序等。下面主要介绍一下crc-16校验程序。 crc是 “cyclical rendundancy check” （循环冗余码校验）的英文简称。 crc码为2个字节，16位的二进制值。故又叫crc-16。由发送设备计算crc值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算crc值并与crc的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于crc处理。起始位，停止位和校验位不参与crc计算。 crc校验时，每个8位数据与该寄存器的低位内容进行异或运算，然后向最低有效位（lsb）方向移位，同时用零填入最高有效位（msb）后，再对lsb检查，若lsb=1，则寄存器与生成多项式（16＃a001）异或，若lsb=0，不作异或运算。 重复上述处理过程，直至移位8次，最后一次（第8次）移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值为crc值。 在程序编制时，可以使用for/next指令，并使用一次嵌套。在发送时，crc值附加到信息时，低位在先，高位在后。 5 结束语 通过实践证明，该方案使得系统布线变得简单，使系统的抗干扰性明显增强。为该设备的系统升级作出了应有的贡献。 ……艾默生变频器及PLC在恒液位控制中的应用 1 引言 包钢带钢厂璇流井水系统是为轧线供生产用水，整个水系统是循环运行的。为保证璇流井内水位保证基本平衡，通过5#泵（110kw）将水池内循环水再抽到外面，防止水溢出。由于原有系统采用软启动器启动，不能调节转速，水位的控制依靠人为值守，通过开阀和关阀来控制。如无人值守，在低液位会造成水泵抽真空而损伤泵体（气蚀）；高液位则会淹没水泵房造成停电事故。为此，我们设计变频恒液位控制系统，液位检测采用超声波液位器（百特公司产品），通过变频器内部pid构成液位闭环，实现液位的自动恒定控制。 2 变频恒液位控制系统构成 系统水泵电机为110kw，4极，转速1480r/min。设计采用ev2000-4t1100p系列通用变频器作为水泵电机控制核心。液位检测采用百特工控公司生产fbson-y-05-n系列超声波物位检测仪，供电电源为ac220v，一体式安装。量程最大可达到5m，实际检测水位最高1.85m。系统原理图如图1所示。 
采用一台ec20-1006bra作简单的继电连锁，除了和旧系统进行连锁（互锁），还有变频器的简单启动和停止及报警。本系统还另外装有一台ec20-1006bra，通过串口与一台数传电台相通讯（modbus），来实现和另外一个水泵房（净环泵房）实现连锁。当璇流井有高液位报警时，通过plc及数传电台传送到净环泵房，由操作人员确定水泵的启动和停止（由于二者距离太远，且不适合电缆敷设，所以采用无线数传的方式）。 其中璇流井内plc设置为主站，净环内plc为从站。数传电台采用深圳科立讯生产的pt6080无线数传电台，它是利用先进的单片机技术，无线射频技术，数字处理技术设计的功率较大，体积较小的模块式半双工数传电台，采用smt新工艺，选用高质量的元器件。抗干扰能力强，精致坚固，结构紧凑，安装方便。数话兼容，数传可优先。rs－232、rs－485及ttl多种接口可供选择，适应面宽。原理图如图2和图3所示。 
3 变频恒液位控制参数及工作原理 3.1 ev2000通用技术规格 ev2000通用技术规格如附表所示。 
3.2 实现璇流井内恒液位控制 此时，笔者采用给定电位计作为液位给定，反馈采用超声波液位仪（变送输出4-20ma）。 通过变频器内部的pid调节器做压力闭环调节。变频器参数设置如下： fp.01=0 参数写保护选择，全部参数允许改写 f0.00=3 给定为vci模拟给定 f0.03=1 端子运行 f0.04=0 转向为正向 f0.08=1 负载为风机类 f0.10=15 加速时间 f0.11=15 减速时间 f0.14=1 v/f曲线设定（2次幂，泵类负载特性） f5.00=1 闭环运行有效 f5.01=1 给定为vci f5.02=1 反馈为cci（注意要做调线改动），超声波输出 f5.09=20 最小给定量对应反馈（4ma ，相对于20ma为20%） f5.12=0.10 比例增益 f5.13=0.05 积分时间 fh.00=4 4极电机 fh.01=110 功率110kw 变频器内部pid控制框图如图4所示。 
3.3超声波参数设置 （1） 测量模式选择：距离测量，如图5所示。 （2） 测量范围：0-185cm。 
（3） 响应速度选择：慢速。 （4） 安全物位：保持。 超声波工作电压220vac，输出信号为4～20ma。 为可靠检测液位，使用超声波变送器必须使其响应速度较慢。这是因为过快的响应速度，会造成外界干扰信号的扰动，使液位信号变化太快，影响了正常的设备运行。降低速度，可以使信号综合平均后输出实际稳定电流信号。 4 结束语 经过现场一段时间的运行，变频恒液位运行效果非常好。当用电位计设定一个液位高度后，变频器以恒液位控制方式运行。当液位设定为70cm，实际检测璇流井内的液位基本在60～80cm之间恒定。当液位低于70cm，变频器频率降低，直到最后停止在最低运行频率（20hz）。这是因为如果变频器运行频率过低，水泵的扬程不够，电机功率白白损耗掉，不利于节能运行。设置最低运行频率，能够使水泵扬程达到要求（璇流井内循环水不会造成在最低的运行功率下导致液位过低而水泵抽真空）。变频器的频率一般在生产的时候达到35～45hz左右，这样的节能率是非常高的（40%左右），而且恒液位控制大大的降低了操作人员的劳动强度。当由于某种原因造成液位过高时，通过ec20plc和数传电台还可以为上级泵站提供信号，实现泵站水系统的连锁控制，保证了正常的生产供水要求，同时也大大地节约了电能（35%以上），为包钢节能降耗工程作了一个典范工程。 |
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