永宏PLC利用MODBUS实现控制多台变频器系统的设计

1．引言  
    虽然变频器广泛应用于各行各业，但因其显示面板简单，且在对数据的处理、计算、保存等方面存在弱点，在一定程度上影响了变频器在复杂控制系统中的应用。不过，通讯技术与变频器相结合可以弥补这些缺点，可以利用PLC与变频器之间的通讯功能实现远程控制，同时增强了变频器对数据处理，故障报警等方面的功能。 
    本文以污水处理控制系统为例，介绍利用MODBUS通讯协议实现永宏PLC控制3台变频器运行系统，使得电机转速、方向、转矩以及变频器运行参数等控制变得十分容易和。先前的控制是采用3台变频器分别控制3台牵引电机，其转速给定是由操作面板上的操作电位器的旋转给变频器一个0——10V的电流信号，这种方式缺点是：（1）各变频器运行参数无法准确在运行中获得；（2）控制电位器由于经常旋转操作频繁，使得故障率增高；（3）由于变频器一般安装在控制柜中，较难得到其面板上的频率信息；（4）改变其运行参数，需手动多次调试；（5）自动化程度不高。因此，必需在控制方式上加以改进，采用PLC控制，利用MODBUS通讯实现用PLC控制和监控变频器的运行。 
    2．相关系统构成及配置 
    系统采用中国台湾永宏股份电机有限公司的FBs-60MCT型PLC作为主控制器； 
    TVF2000系列变频器用于传动控制；HITECH PWS3261触摸屏用于人-机信息交换。相关系统构成框图如图1所示。在该系统中，PLC的Port 2和变频器构成MODBUS总线，通过PLC去控制三台变频器完成系统控制需要，实现对变频器的速度设定、运行状态监控及参数交换等。 
    3．ModBus通讯协议 
    ModBus通讯协议，是一种串行的、非同步的主从通讯协议，网络中只有一个设备能够建立协议，其它的设备只能通过提供数据响应主机的查询，或根据查询做出相应的动作。ModBus协议定义了主机查询的格式，其包括：主从机的编址方法（或广播），要求动作的功能代码，传输数据和错误校验等，或不能完成主机要求的动作，它将组织一个故障作为响应。MODBUS协议不需要特别的接口，典型的物理接口是RS485。在MODBUS通讯网络中，一般提供中ASCII和RTU两种通讯模式。 
    本控制系统中，永宏PLC支持MODBUS协议，可以灵活运用ASCII和RTU两种通讯模式，TVF2000变频器支持MODBUS中的RTU通讯模式。 
    4．系统实现 
    本控制系统主要以MODBUS通讯控制实现。因此，主控设备和受控设备必须都支持MODBUS协议，永宏PLC提供了方便快捷的MODBUS MASTER表格，直观易懂，如图2所示。其中，第0，2，4笔资料为分别写入1#2#3#变频器控制字和给定值1；第1，3，5笔资料为读取1#2#3#变频器的状态字。
    时代TVF2000系列变频器可通过串行RS485总线与外部PLC控制系统进行通讯，通讯协议为MODBUS的RTU形式，其控制命令和给定频率全部来自MODBUS通讯，其RS485总线结构如图3所示。TVF2000变频器的寄存器40001为控制字，寄存器40002为给定值1，寄存器40004为状态字，寄存器40005为实际值。其相关参数设置如下： 
    5005=2 ——MODBUS通讯； 
    5201=1，2，3——变频器站号； 
    5202=5 ——波特率为9600bps； 
    5203=0 ——无校验； 
    5003=1.0 ——通讯超时时间； 
    1001=10 ——外部命令1为通讯控制； 
    1003=3 ——电机正反转控制； 
    1104=0.1 ——频率给定zui小单位0.1HZ; 
    1105=50 ————-zui大给定频率为50HZ; 
    1601=7 ——————为通讯允许运行; 
    1604=7 ——————为故障通讯复位. 
    TVF2000的菜单参数被一一影射为MODBUS协议的寄存器,MODBUS通讯对各寄存器的操作,即实现了对TVF2000中与寄存器对应的菜单参数的操作.对应的命令寄存器为40001。 
    对每一台变频器进行控制时,通过HITECH触摸屏给定起停信息,变频器的位置信息如下: 
    *步,40001=0000 0000 0000 0110B 变频器进入通讯控制就绪状态; 
    第二,40001=0000 0000 0000 0111B 变频器进入准备状态; 
    第三,40001=0000 0000 0000 1111B 发上升沿脉冲进入运行允许状态; 
    第四,40001=0000 0000 0010 1111B 启动变频器; 
    第五,40001=0000 0000 0110 1111B 按给定频率值运行. 
    同时,通过对存储寄存器40004（状态字）读取,可获得变频器的运行状态等信息,然后通过触摸屏显示界面,操作人员可以直观地了解变频器运行信息. 
    5．程序设计  
    ORG M1924 
    FUN 08 7,R1000 
    FUN 08 7,R1100 
    FUN 08 7,R1200 /＊变频器就绪＊/ 
    ORG M1962 
    FUN 150P 2,R5800,R5900 /＊MODBUS通讯工作命令设定＊/ 
    ORG M10 
    FUN 08P 47,R1000 
    FUN T10 100 
    AND T10 
    FUN 08P 111,R1000 /＊启动1#变频器＊/ 
    ORG M11 
    FUN 08P 7,R1000 /＊停止1#变频器＊/ 
    ORG M12 
    FUN 08P 47,R1100 
    FUN T11 100 
    AND T11 
    FUN 08P 111,R1100 /＊启动2#变频器＊/ 
    ORG M13 
    FUN 08P 7,R1100 /＊停止2#变频器＊/ 
    ORG M14 
    FUN 08P 47,R1200 
    FUN T12 100 
    AND T12 
    FUN 08P 111,R1200 /＊启动3#变频器＊/ 
    ORG M15 
    FUN 08P 15,R1200 /＊停止3#变频器＊/ 
    6．结束语 
    利用MODBUS通过PLC来控制多台TVF2000变频器的运行,从满足生产设备各种不同场合和要求的需要.与原系统相比,在极大程度上提高了自动化程度,使控制变得简单和;而与PLC+D/A模块这一传统的控制模式相比,虽然同样可以达到控制要求,但从经济上考虑,我们一般无法接受昂贵的D/A模块,在同时控制多台变频器时,将使变得系统十分庞大,不利于系统的维护;因而,采用MODBUS等总线结构来实现生产设备控制要求,是工业控制的一种趋势.同时,随着变频技术与计算机通讯技术相结合,PLC和变频器的通讯控制将更加广泛应用于工业控制中.本文笔者多次设计相关系统运用于污水处理系统,食品、药品和化妆品等包装系统中,自动化程度大大提高,系统运行故障率则大大减少，是值得推广和应用的传动控制系统。