用rs485網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)plc與td3000變頻器多機(jī)控制

1、用RS485網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC與TD3000變頻器多機(jī)控制摘 要：本文介紹了通過三菱PLC作為主站與多臺(tái)艾默生公司的TD3000矢量變頻器用RS485串行通訊構(gòu)成的高精度變頻器調(diào)速控制、監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)敘述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成,PLC與變頻器之間的通訊原理和通訊協(xié)議,闡明了該網(wǎng)絡(luò)控制調(diào)速系統(tǒng)與一般模擬量控制調(diào)速系統(tǒng)相比的優(yōu)越性，給出了系統(tǒng)框圖及以及PLC系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵字：PLC 變頻調(diào)速器 多電機(jī)控制 RS485網(wǎng)絡(luò) 通訊協(xié)議 實(shí)時(shí)監(jiān)控一、引言 近年來，交流調(diào)速的發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動(dòng)已進(jìn)入了與直流拖動(dòng)相媲美、相抗衡的時(shí)代。目前，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)

2、已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工等各個(gè)行業(yè)。作為變頻調(diào)速系統(tǒng)中的控制核心部分的變頻器,最初是以單臺(tái)形式工作的,可以通過變頻器的控制面板或端子進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置,啟動(dòng)或停止變頻器運(yùn)行,讀取各種變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)等等。而現(xiàn)在各種大中型自動(dòng)化生產(chǎn)線則要求由多臺(tái)變頻器組成的同步控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)等復(fù)雜的控制,并且要相互協(xié)調(diào),形成連續(xù)生產(chǎn)線的調(diào)速控制系統(tǒng)。以比例控制系統(tǒng)為例，一般的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。圖1是傳統(tǒng)的比例控制的基本結(jié)構(gòu)工作時(shí)操作人員通過控制PLC設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出(010VDC或420mA)信號(hào)控制變頻器的速度指令，使各個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按給定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。此方案對(duì)電機(jī)數(shù)目不多

3、，電機(jī)分布比較集中的應(yīng)用系統(tǒng)較合適。但對(duì)于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)線，一方面電機(jī)數(shù)目較多，另一方面電機(jī)分布距離較遠(yuǎn)。采用此控制方案時(shí)由于速度指令信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中的衰減和容易受外界的干擾，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低，同時(shí)大量D/A轉(zhuǎn)換模塊使系統(tǒng)成本增加等問題。由于大多數(shù)變頻都有RS485通信接口，用于系統(tǒng)配置和監(jiān)控。作為低成本的連接方案，采用基于RS485通信接口對(duì)變頻器進(jìn)行控制，無疑是具有吸引力的選擇。為此我們采用了PLC與變頻器構(gòu)成RS485多分支通訊控制網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是成本較低、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適合遠(yuǎn)距離，多電機(jī)控制系統(tǒng)。本文是結(jié)合我公司在鋼繩生產(chǎn)線上采用PLC通過RS4

4、85接口使用變頻器專用通訊協(xié)議對(duì)兩臺(tái)艾默生公司的TD3000矢量變頻器進(jìn)行控制，極大地減少了線路連接的復(fù)雜性。實(shí)現(xiàn)多機(jī)分布傳動(dòng)機(jī)制的PLC集中監(jiān)測(cè)和控制新系統(tǒng)，著重介紹了艾默生公司的TD3000系列變頻器實(shí)時(shí)在線通訊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。二、工藝要求和系統(tǒng)工作原理 鋼繩生產(chǎn)線上涂塑機(jī)控制系統(tǒng)主要由兩臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)：主電機(jī)15KW，跟隨電機(jī)1.5KW，要求跟隨電機(jī)按工藝的要求可以精確的按比例跟隨主電機(jī)運(yùn)行。啟動(dòng)停止要求同步才能保證符合正常的生產(chǎn)要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2涂塑機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)成品鋼繩經(jīng)過跟隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)的涂塑機(jī)構(gòu)，在高溫下涂上一層塑料，經(jīng)過降溫冷卻后，由主電機(jī)牽引收卷成品。其機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單。但電

5、氣控制要求高，跟隨電機(jī)要非常精確的跟隨主電機(jī)運(yùn)行才能保證成品合格。三、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成 我們根據(jù)該設(shè)備工藝的技術(shù)要求采用了全新的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成。利用變頻器自帶的RS485接口，與三菱PLC的FX2N-485BD模塊進(jìn)行通訊控制變頻器。再通過觸摸屏來監(jiān)控和操作，可以直觀的顯示各種參數(shù)及故障。便于操作與維修，而且系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性強(qiáng)，配線簡(jiǎn)單整潔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3 鋼繩涂塑機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電氣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由下列組件構(gòu)成；1）觸摸屏（HMI）為整個(gè)系統(tǒng)的操作設(shè)置顯示單元。在HMI上可以通過不同畫面將PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)、輸入(I)

6、輸出(O)狀態(tài)、各個(gè)動(dòng)作過程，以及全機(jī)故障查詢、工藝參數(shù)等一一顯示出來，實(shí)時(shí)監(jiān)控全機(jī)的工作狀態(tài)，除了顯示功能外，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，通過HMI設(shè)置和修改PLC內(nèi)部的一些需要用戶設(shè)定的參數(shù)。人機(jī)界面上直接觀察到變頻器的工作狀態(tài)，對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控。 2）FX2N32MR為PLC基本單元，執(zhí)行系統(tǒng)及用戶軟件，是系統(tǒng)的核心。 3）FX2N485BD為FX2N系統(tǒng)PLC的通訊適配器，該模塊的主要作用是PLC通訊系統(tǒng)中作為主站發(fā)給變頻器信息，我們?cè)诜治銎浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其作為RS485通訊主站使用，完成變頻調(diào)速器各種控制信號(hào)的發(fā)送，參數(shù)監(jiān)控及故障報(bào)警等。 4）TD3000矢量變頻器自帶RS485接口的通

7、訊單元，符合RS485通訊規(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)PLC與多臺(tái)變頻調(diào)速器的連網(wǎng)。通過該單元能夠在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速器的運(yùn)行控制（如啟動(dòng)、停止、運(yùn)行頻率設(shè)定）、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控等功能，是變頻器的網(wǎng)絡(luò)接口，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，RS485是應(yīng)用較多的一種通信。 5）TD3000矢量變頻器（帶編碼器PG閉環(huán)反饋）有效防止因負(fù)載的變化而引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，由于兩臺(tái)電機(jī)變頻調(diào)速都采用編碼器PG閉環(huán)反饋。因此該系統(tǒng)特性較強(qiáng)，隨負(fù)載變化小，外界干擾對(duì)系統(tǒng)速度基本沒有影響。保證跟隨頻率的精度。 四、TD3000矢量變頻器比例跟蹤系統(tǒng)工作原理 牽引電機(jī)和跟隨電機(jī)均采用矢量閉環(huán)變頻無級(jí)調(diào)速，旋轉(zhuǎn)模跟隨電機(jī)根據(jù)工藝要求按一定的比例

8、（設(shè)置計(jì)算公式）精確同步跟隨牽引電機(jī)速度。牽引電機(jī)的速度由操作員根據(jù)需要在HMI上設(shè)置，也可以在HMI上微調(diào)牽引的速度，同時(shí)輸入“牽引比”，“機(jī)械傳動(dòng)的速比”，“鋼繩的直徑”等參數(shù)，由HMI傳送到PLC后，經(jīng)過計(jì)算，采用通訊的方式啟動(dòng)牽引電機(jī)和跟隨電機(jī)按計(jì)算的速度運(yùn)行。如下圖圖5 比例跟蹤系統(tǒng)工作原理五、TD3000矢量變頻器與PLC的通訊原理及協(xié)議 變頻器與PLC的通訊通信是雙向進(jìn)行的，因此收發(fā)雙方同時(shí)都具備收發(fā)設(shè)備。但雙方可共用一個(gè)傳輸媒介，也可各自擁有單獨(dú)的傳輸媒介。傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，直至構(gòu)成復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。而這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)也基本上包含通信方面的一些基本技術(shù)：

9、編碼技術(shù)、傳輸技術(shù)。本系統(tǒng)TD3000矢量變頻器通用變頻器接入RS485總線采用“單主多從”PLC控制網(wǎng)。如下圖圖6 單主機(jī)多從機(jī)PLC控制網(wǎng)TD3000矢量變頻器采用兩線制的RS485接口協(xié)議作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和調(diào)試協(xié)議。它以主從方式構(gòu)成工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)站，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有一個(gè)主站，131個(gè)從站，各站點(diǎn)由唯一的標(biāo)識(shí)碼識(shí)別。這樣上位機(jī)便能通過RS485通信線，對(duì)掛在上面的變頻器進(jìn)行控制操作。TD3000矢量變頻器采用主機(jī)“輪詢”， 從機(jī)“應(yīng)答”方式。其通信方式為RS-485，波特率最高可達(dá)125Kbps；數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶效驗(yàn)位，1位停止位。變頻器接收控制的通信協(xié)議如下：起始字節(jié)：02

10、H從機(jī)地址：范圍2 126功能碼操作命令/響應(yīng)字： 范圍015，功能碼組號(hào)+功能碼號(hào)功能碼組號(hào)范圍016（BIT8BIT11），功能碼的范圍099（BIT0BIT7），遵循先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)的原則。功能碼設(shè)定/實(shí)際值：變頻器參數(shù)設(shè)置，修改范圍見參數(shù)表?？刂谱?狀態(tài)字：控制變頻器的啟動(dòng)/停止，反映變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警等。主設(shè)定值/運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)際值：運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定值由用戶根據(jù)控制要求來設(shè)定，通過設(shè)定功能碼的形式來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容包括： 運(yùn)行設(shè)定頻率、設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定線速度、閉環(huán)設(shè)定等等。運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)際值是由設(shè)定值來決定 。例如：實(shí)際運(yùn)行頻率、實(shí)際轉(zhuǎn)速等等。當(dāng)狀態(tài)字反映出運(yùn)行故障時(shí)，實(shí)際值將為故障代號(hào)。

11、幀校驗(yàn)：幀校驗(yàn)方式為異或校驗(yàn)法，計(jì)算方法為本幀數(shù)據(jù)字節(jié)的連續(xù)異或結(jié)果。將變頻器的通信數(shù)據(jù)格式，波特率，以及通信地址設(shè)置好，例如以50Hz運(yùn)行2#變頻器。需要將變頻器頻率設(shè)定成F0.03=6起始從機(jī)地址命令字功能碼號(hào)設(shè)定高位設(shè)定低位控制高位控制低位主設(shè)定高位主設(shè)定低位校驗(yàn)碼020200000000047F1388E2由通訊可以控制變頻器的起/停、故障檢測(cè)、故障復(fù)位、速度和轉(zhuǎn)向控制，由PLC通過RS485接口完成。六、控制系統(tǒng)中變頻器與PLC通訊控制軟件設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜，所以如何實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的通信是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的通訊控制，要求PLC進(jìn)行通訊編程，通過

12、程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器信息交換的控制。要求注意以下幾點(diǎn)：1）通信程序由通信口初始化、運(yùn)行、停止、速度設(shè)定等部分組成，主機(jī)握手等待時(shí)間，從機(jī)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間8ms，超時(shí)則判定為通信失敗,輪詢RS485網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)從站，主站必需定期輪詢，包括無應(yīng)答時(shí)，應(yīng)呼叫三次，保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)從站的通信故障。從站在一定時(shí)間間隔后若未接收到任何報(bào)文則認(rèn)為發(fā)生斷線故障，隨后進(jìn)入故障安全狀態(tài)。 2）PLC程序應(yīng)完成FX2N485BD通訊適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉(zhuǎn)換及變頻器應(yīng)答信息的處理等工作。在該系統(tǒng)1:2多分支通訊網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)變頻器為一個(gè)子站，每個(gè)子站均有一個(gè)站號(hào)，事先由參數(shù)設(shè)定單元設(shè)定。具體參數(shù)如下：

13、功能碼名稱設(shè)定范圍設(shè)定值(15KW)設(shè)定值(1.5KW)備注F0.02控制方式0211閉環(huán)方式F0.03頻率設(shè)定方式0966通訊設(shè)定F0.05運(yùn)行方式選擇0222通訊控制F2.01起動(dòng)頻率010Hz00出廠為1F3.00ASR比例增益063.96PF3.01ASR積分時(shí)間032s0.80.7IF9.00波特率選擇06339600BPSF9.01數(shù)據(jù)格式0200N,8,1F9.02本機(jī)地址212623必須設(shè)定F9.12通訊響應(yīng)時(shí)間020ms1414非標(biāo)Fd.04線速度系數(shù)0.1999.999.20.1顯示用以上參數(shù)是修改的實(shí)際值，其余參數(shù)調(diào)整是按廠家出廠值設(shè)定，注意采用閉環(huán)編碼器時(shí)，編碼器的分辨

14、率和轉(zhuǎn)向。3）工作過程中，F(xiàn)X2N485BD發(fā)有關(guān)命令信息后，各個(gè)子站均收到該信息，然后每個(gè)子站判斷該信息的站號(hào)地址是否與本站站號(hào)一致。若一致則處理該信息并返回應(yīng)答信息；若不一致則放棄該信息的處理，這樣就保證了在網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)只有一個(gè)子站與主站交換信息。見下圖： 圖7 發(fā)送信息交換過程4）由于FX2N通訊的收發(fā)狀態(tài)切換較慢，取決于PLC的掃描周期，這個(gè)時(shí)間估計(jì)為3ms左右，因此在與TD3000通訊時(shí)，接收不到變頻器的應(yīng)答數(shù)據(jù)（變頻器返回?cái)?shù)據(jù)約1ms），因此我們考慮變頻器軟件做非標(biāo)，調(diào)整返回信息時(shí)間。(建議可以采用西門子PLC，TD3000矢量變頻器不用做非標(biāo)產(chǎn)品) 5）正常工作時(shí)變頻器與PLC通訊

15、控制軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如下： 七、人機(jī)界面觸摸屏的設(shè)計(jì) 在人機(jī)界面中，設(shè)計(jì)了7幅畫面，包括整體圖形，運(yùn)行監(jiān)控、參數(shù)修改、速度輸入，故障顯示，機(jī)器速度和密碼保護(hù)等。故障顯示使用指示器，給出位元件即可實(shí)現(xiàn)閃動(dòng)效果，讓操作者很方便的知道故障部位，整體感很好。監(jiān)控畫面如圖所示：圖8觸摸屏監(jiān)控畫面圖9觸摸屏操作畫面八、實(shí)際應(yīng)用效果通過用戶將近一年半的長(zhǎng)時(shí)間使用證明，TD3000矢量變頻器加編碼器閉環(huán)組成的比例隨動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在鋼繩生產(chǎn)線上采用RS485網(wǎng)絡(luò)控制是一種十分理想的控制方式，它有許多值得借鑒的優(yōu)點(diǎn)：1）采用通訊控制變頻器，具有硬件邏輯簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。以此方式，可以實(shí)現(xiàn)全車間的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制。 2）兩臺(tái)電機(jī)比例同步跟隨精度高，尤其是采用編碼器閉環(huán)以后，轉(zhuǎn)速精度可以控制在±1轉(zhuǎn)/分左右，完全滿足工藝控制的要求，質(zhì)量明顯提高。 3）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)于負(fù)載的急變，主牽引速度的快速變化都能很快跟隨調(diào)整好。 4）調(diào)速范圍廣，閉環(huán)可達(dá)1000：1，我們采用了變頻電機(jī)，在低速情況下完全可以長(zhǎng)期運(yùn)行，在高速下，只要擠出機(jī)能滿足要求，主機(jī)牽引