Modbus技術(shù)在變頻調速系統上的應用

1 引言

　　預縮機是印染行業(yè)中織物后整理的最后一道工序，它是將織物經(jīng)過(guò)機械物理預縮（橡膠毯）的方法，使其預縮率降低，手感改善?；九渲糜伤膫€(gè)單元組成：給濕單元、橡膠毯預縮單元、呢毯整理單元和出布單元。給濕單元完成預縮前的給濕準備，以使織物擁有一定的含濕量，便于織物預縮。其拖動(dòng)部分為一只糙皮輥。由一個(gè)2.2kw電機拖動(dòng)。橡膠毯預縮單元是本機的核心，主要是通過(guò)橡膠毯擠壓以使織物經(jīng)向產(chǎn)生收縮。擠壓由一個(gè)φ616mm的輥筒和另一個(gè)輥筒的相對運動(dòng)完成，拖動(dòng)由一個(gè)15kw的電機完成。呢毯整理單元主要用以烘干織物和改善手感，由一個(gè)3kw的電機拖動(dòng)一個(gè)φ2000mm的大滾筒完成。出布單元由一個(gè)1.5kw的電機拖動(dòng)擺布斗完成。

　　其工藝流程：進(jìn)布單元→橡膠毯預縮單元→呢毯整理單元→落布單元。

2 系統配置方案

　　在本方案中，觸摸屏采用日本proface公司生產(chǎn)的gp系列，plc采用西門(mén)子公司s7-226系列，變頻器采用丹佛斯vlt2900系列，由于該系列變頻器內已經(jīng)內置了rs485接口且支持modbus協(xié)議，故這使該系統性?xún)r(jià)比非常高。s7－226系列的cpu內置了兩個(gè)通信口，這兩個(gè)通信口都為rs485接口，均可在三種方式下工作，即ppi方式、mpi方式及自由通信口方式。ppi是point-to-point的縮寫(xiě)，即點(diǎn)對點(diǎn)方式，是西門(mén)子公司專(zhuān)為s7－200系列開(kāi)發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議，在本案中，筆者可把其中的一個(gè)通信口設置為該方式，用以連接hmi，進(jìn)而做人機交換信息用。而第二個(gè)通信口我們把它設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。在該方式下，依據和他通信的其他設備的公開(kāi)的通信協(xié)議來(lái)編程s7－200的通信。筆者在本方案中用它連接變頻器以實(shí)現它們之間的相互通信。相關(guān)系統框圖如圖1所示（基于本文闡述的重點(diǎn)，其它的如變頻器和電機組成的自反饋系統不再畫(huà)出和贅述）。

3 自由口通信和modbus協(xié)議

　　自由口通信和modbus協(xié)議在s7-226和丹佛斯vlt2900系列變頻器的應用過(guò)程如下：

　　3.1通訊協(xié)議及其在plc和變頻器上的基本設置

　　既然雙方控制器要建立通信，它們必將共同遵循一定的規約，這即稱(chēng)之為協(xié)議。本系統中，plc建立的通訊規約將依從于變頻器的規約，即modbus協(xié)議，這是因為s7-200支持自由口通信模式。

　?。?）自由口通信模式

　　cpu串行通信口可由用戶(hù)程序控制，這種操作模式稱(chēng)作自由口通信模式。在該模式下，用戶(hù)程序可以使用接受中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令（xmt）和接受指令（rcv）來(lái)進(jìn)行通信操作。利用該模式，plc可以和任意第三方串口進(jìn)行通信。smb30（用于端口0）和smb130（用于端口1）用于選擇波特率、奇偶校驗、數據位數和通信協(xié)議。

　?。?）modbus通信協(xié)議

　　modbus通信是一種被用于在智能設備間建立主從方式的通信，它可以通過(guò)如rs232c、rs485等多種傳輸方式進(jìn)行傳播。它分為兩種串行傳輸方式：ascii和rtu（remoteterminalunit，遠程測控中斷）。它們定義了數據如何打包、解碼的不同方式。丹佛斯vlt2900系列支持的是rtu方式，其格式是：

　　其中奇偶校驗和停止位可以是0，即可以沒(méi)有。

　　modbus由一個(gè)主站（plc）和最多31個(gè)從站（本系統中為4個(gè)）組成。主站負責發(fā)送指令，從站則是響應指令。在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)從站能和主站進(jìn)行連接。

　　丹佛斯vlt2900系列變頻器內置了rs485物理接口，且同時(shí)支持modbus協(xié)議。其相關(guān)的參數如站地址、波特率、校驗等在561＃、500＃、570＃及501＃參數組內設置。

　　3.2 plc和變頻器通信的信號格式

　?。?）丹佛斯vlt2900系列變頻器支持標準的modbus－rtu信號，其格式如下：

　　驅動(dòng)器地址：本文為變頻器地址。值為0～32，若設定為0，即為廣播方式，則從plc同時(shí)向所有的變頻器傳送指令信號，而變頻器不反饋?lái)憫盘枴?/p>

　　功能碼：丹佛斯vlt2900系列支持以下幾種功能碼（16進(jìn)制）。

　　數據：存儲寄存器地址和數據組合構成一組數據。因指令的內容不同數據長(cháng)度不同。

　　故障檢查：對于rtu方式，一般采用crc－16的方式進(jìn)行，后面將做進(jìn)一步的說(shuō)明

　?。?）丹佛斯vlt2900系列變頻器編址

　　既然plc與變頻器通信時(shí)操作對象是存儲器，故變頻器內部必須有plc能識別的存儲器地址相對應。變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家不同會(huì )導致其編址方法的不同。丹佛斯vlt2900系列變頻器編址和你在其說(shuō)明書(shū)上看到的參數號是遵從一等式的，即

　　參數地址（hex）＝［（參數號×10）－1］（dec）。

　?。?）modbus信號舉例

　　通過(guò)重寫(xiě)控制字與參考值的方式，啟動(dòng)電機并使之運行在50％的轉速下：

　　指令信號：［01］ ［0f］ ［00］ ［00］ ［00］ ［20］ ［04］ ［7c］ ［04］ ［00］ ［20］ ［9d］［01］

　　該指令中：

　?。?1］為驅動(dòng)器地址

　?。?f］為功能碼，是指本命令為寫(xiě)多個(gè)位存儲器指令；

　?。?0］ ［00］指出將要寫(xiě)入數據的起始地址為位存儲器的首地址。

　?。?0］［20］為寫(xiě)入長(cháng)度，20hx＝32dec位數據。

　?。?4］為要寫(xiě)入位的總字節數為4個(gè)。

　?。?c］ ［04］ 047c是啟動(dòng)電機的控制字內容，在實(shí)際傳輸中為低位前置。

　?。?0］ ［20］為電機運行的參考值，在實(shí)際傳輸中低位前置。

　?。?d］ ［01］為計算出的crc-16值

　　正常時(shí)其響應信號應為：

　?。?1］ ［0f］ ［00］ ［00］ ［00］ ［20］ ［54］ ［13］

　　按頻率指令60.0hz傳送到1＃變頻器（地址為01），

　　指令信號：［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］

　　正常時(shí)響應信號為： ［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］

　　3.3信號的發(fā)送和接受指令

　　當信號格式被確定后，筆者所要做的是從plc如何把它們發(fā)送出去和如何接收變頻器的響應信號了，在自由口模式當中，信號可以用xmt命令發(fā)送，用rcv命令接收，另外，還可以利用smb2（接收緩沖字節）配合其它如mov指令等來(lái)實(shí)現字符的接收。在s7-200系統中，設計了諸如發(fā)送完成、接收完成等中斷事件，則將很方便的通過(guò)它們來(lái)控制整個(gè)程序的運行。

4 plc程序的設計

　?。?）數學(xué)模型

　　由于各個(gè)單元間是采用線(xiàn)性比例同步的，所以構建其數學(xué)模型非常簡(jiǎn)單，只要使某單元的轉速和其相鄰上一級單元遵循數學(xué)公式v1＝k×v2即可。為了調節兩單元之間的張力，只需調節兩單元間比例k即可。這里需提醒注意的是：某一單元的轉速必須以上一級為基礎進(jìn)行比例調節，這樣才不至于在調節單元的速度時(shí)，影響其它單元間的張力。

　?。?）程序框圖及其說(shuō)明

　　程序框圖如圖2所示。

　?。?）程序結構說(shuō)明

　　程序結構包括主程序、初始化子程序、停車(chē)子程序、開(kāi)車(chē)子程序、比例設定子程序和速度計算子程序。其中與通信有關(guān)的程序有crc-16校驗程序、發(fā)送中斷程序、接收中斷程序等。下面主要介紹一下crc-16校驗程序。

　　crc是 “cyclical rendundancy check” （循環(huán)冗余碼校驗）的英文簡(jiǎn)稱(chēng)。

　　crc碼為2個(gè)字節，16位的二進(jìn)制值。故又叫crc-16。由發(fā)送設備計算crc值，并把它附到信息中去。接收設備在接收信息過(guò)程中再次計算crc值并與crc的實(shí)際值進(jìn)行比較，若二者不一致，亦產(chǎn)生一個(gè)錯誤，校驗開(kāi)始時(shí)，把16位寄存器的各位都置為“1”，然后把信息中的相鄰2個(gè)8位字節數據放到當前寄存器中處理，只有每個(gè)字符的8位數據用于crc處理。起始位，停止位和校驗位不參與crc計算。

　　crc校驗時(shí)，每個(gè)8位數據與該寄存器的低位內容進(jìn)行異或運算，然后向最低有效位（lsb）方向移位，同時(shí)用零填入最高有效位（msb）后，再對lsb檢查，若lsb=1，則寄存器與生成多項式（16＃a001）異或，若lsb=0，不作異或運算。

　　重復上述處理過(guò)程，直至移位8次，最后一次（第8次）移位后，下一個(gè)8位字節數據與寄存器的當前值異或，再重復上述過(guò)程。全部處理完信息中的數據字節后，最終得到的寄存器值為crc值。

　　在程序編制時(shí)，可以使用for/next指令，并使用一次嵌套。在發(fā)送時(shí)，crc值附加到信息時(shí)，低位在先，高位在后。

5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)實(shí)踐證明，該方案使得系統布線(xiàn)變得簡(jiǎn)單，使系統的抗干擾性明顯增強。為該設備的系統升級作出了應有的貢獻。