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摘要：本文介紹了通過三菱PLC作為主站與多臺艾默生公司的TD3000矢量變頻器'>變頻器用RS485串行通訊構(gòu)成的高精度變頻器'>變頻器調(diào)速控制、監(jiān)控系統(tǒng)。詳細敘述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成,PLC與變頻器'>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)的軟件實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：PLC變頻調(diào)速器多電機控制RS485網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實時監(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在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動已進入了與直流拖動相媲美、相抗衡的時代。目前，變頻器'>變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于機械、冶金、化工等各個行業(yè)。作為變頻調(diào)速系統(tǒng)中的控制核心部分的變頻器'>變頻器,最初是以單臺形式工作的,可以通過變頻器'>變頻器的控制面板或端子進行運行參數(shù)的設(shè)置,啟動或停止變頻器'>變頻器運行,讀取各種變頻器'>變頻器運行數(shù)據(jù)等等。而現(xiàn)在各種大中型自動化生產(chǎn)線則要求由多臺變頻器'>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?！　　　D1　是傳統(tǒng)的比例控制的基本結(jié)構(gòu)　　工作時操作人員通過控制PLC設(shè)定運行參數(shù)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出(0~10VDC或4~20mA)信號控制變頻器'>變頻器的速度指令，使各個變頻器'>變頻器驅(qū)動電機按給定的速度運轉(zhuǎn)。此方案對電機數(shù)目不多，電機分布比較集中的應(yīng)用系統(tǒng)較合適。但對于大規(guī)模自動化生產(chǎn)線，一方面電機數(shù)目較多，另一方面電機分布距離較遠。采用此控制方案時由于速度指令信號在長距離傳輸中的衰減和容易受外界的干擾，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低，同時大量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通信接口對變頻器'>變頻器進行控制，無疑是具有吸引力的選擇。為此我們采用了PLC與變頻器'>變頻器構(gòu)成RS485多分支通訊控制網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)特點是成本較低、信號傳輸距離遠、抗干擾能力強，尤其適合遠距離，多電機控制系統(tǒng)?！　”疚氖墙Y(jié)合我公司在鋼繩生產(chǎn)線上采用PLC通過RS485接口使用變頻器'>變頻器專用通訊協(xié)議對兩臺艾默生公司的TD3000矢量變頻器'>變頻器進行控制，極大地減少了線路連接的復(fù)雜性。實現(xiàn)多機分布傳動機制的PLC集中監(jiān)測和控制新系統(tǒng)，著重介紹了艾默生公司的TD3000系列變頻器'>變頻器實時在線通訊技術(shù)的實現(xiàn)。　　二、工藝要求和系統(tǒng)工作原理　　鋼繩生產(chǎn)線上涂塑機控制系統(tǒng)主要由兩臺電機拖動：主電機15KW，跟隨電機1.5KW，要求跟隨電機按工藝的要求可以精確的按比例跟隨主電機運行。啟動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　涂塑機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)　　成品鋼繩經(jīng)過跟隨電機驅(qū)動的涂塑機構(gòu)，在高溫下涂上一層塑料，經(jīng)過降溫冷卻后，由主電機牽引收卷成品。其機械結(jié)構(gòu)雖然簡單。但電氣控制要求高，跟隨電機要非常精確的跟隨主電機運行才能保證成品合格。　　三、電氣傳動系統(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控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成。利用變頻器'>變頻器自帶的RS485接口，與三菱PLC的FX2N-485BD模塊進行通訊控制變頻器'>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，傳輸距離遠，可靠性強，配線簡單整潔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，　　　　圖3鋼繩涂塑機控制系統(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)輸出(O)狀態(tài)、各個動作過程，以及全機故障查詢、工藝參數(shù)等一一顯示出來，實時監(jiān)控全機的工作狀態(tài)，除了顯示功能外，還可以根據(jù)現(xiàn)場的情況，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)。人機界面上直接觀察到變頻器'>變頻器的工作狀態(tài)，對變頻器'>變頻器進行監(jiān)控?！　　　?）FX2N—32MR為PLC基本單元，執(zhí)行系統(tǒng)及用戶軟件，是系統(tǒng)的核心?！　?）FX2N—485BD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'>變頻器信息，我們在分析其結(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)速器各種控制信號的發(fā)送，參數(shù)監(jiān)控及故障報警等。　　4）TD3000矢量變頻器'>變頻器自帶RS485接口的通訊單元，符合RS—485通訊規(guī)范，用于實現(xiàn)PLC與多臺變頻調(diào)速器的連網(wǎng)。通過該單元能夠在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)變頻調(diào)速器的運行控制（如啟動、停止、運行頻率設(shè)定）、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控等功能，是變頻器'>變頻器的網(wǎng)絡(luò)接口，在工業(yè)現(xiàn)場，RS485是應(yīng)用較多的一種通信?！　?）TD3000矢量變頻器'>變頻器（帶編碼器PG閉環(huán)反饋）有效防止因負載的變化而引起的電機轉(zhuǎn)速的變化，由于兩臺電機變頻調(diào)速都采用編碼器PG閉環(huán)反饋。因此該系統(tǒng)特性較強，隨負載變化小，外界干擾對系統(tǒng)速度基本沒有影響。保證跟隨頻率的精度?！　?STRONG>四、TD3000矢量變頻器'>變頻器比例跟蹤系統(tǒng)工作原理　　牽引電機和跟隨電機均采用矢量閉環(huán)變頻無級調(diào)速，旋轉(zhuǎn)模跟隨電機根據(jù)工藝要求按一定的比例（設(shè)置計算公式）精確同步跟隨牽引電機速度。牽引電機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，同時輸入“牽引比”，“機械傳動的速比”，“鋼繩的直徑”等參數(shù)，由HMI傳送到PLC后，經(jīng)過計算，采用通訊的方式啟動牽引電機和跟隨電機按計算的速度運行。如下圖　　　　圖5比例跟蹤系統(tǒng)工作原理　　五、TD3000矢量變頻器'>變頻器與PLC的通訊原理及協(xié)議　　變頻器'>變頻器與PLC的通訊通信是雙向進行的，因此收發(fā)雙方同時都具備收發(fā)設(shè)備。但雙方可共用一個傳輸媒介，也可各自擁有單獨的傳輸媒介。傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成一個完整的通信系統(tǒng)，直至構(gòu)成復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。而這個簡單的系統(tǒng)也基本上包含通信方面的一些基本技術(shù)：　　編碼技術(shù)、傳輸技術(shù)。本系統(tǒng)TD3000矢量變頻器'>變頻器通用變頻器'>變頻器接入RS485總線采用“單主多從”PLC控制網(wǎng)。如下圖　　　　圖6單主機多從機PLC控制網(wǎng)　　TD3000矢量變頻器'>變頻器采用兩線制的RS485接口協(xié)議作為現(xiàn)場監(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)有一個主站，1－31個從站，各站點由唯一的標識碼識別。這樣上位機便能通過RS485通信線，對掛在上面的變頻器'>變頻器進行控制操作。TD3000矢量變頻器'>變頻器采用主機“輪詢”，從機“應(yīng)答”方式。其通信方式為RS-485，波特率最高可達125Kbps；數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶效驗位，1位停止位。變頻器'>變頻器接收控制的通信協(xié)議如下：　　　　起始字節(jié)：02H　　從機地址：范圍2~126　　功能碼操作命令/響應(yīng)字：范圍0~15，功能碼組號 功能碼號功能碼組號范圍0~16（BIT8~BIT11），功能碼的范圍0~99（BIT0~BIT7），遵循先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)的原則?！　」δ艽a設(shè)定/實際值：變頻器'>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'>變頻器的啟動/停止，反映變頻器'>變頻器的運行狀態(tài)，故障報警等?！　≈髟O(shè)定值/運行數(shù)據(jù)實際值：運行數(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現(xiàn)。內(nèi)容包括：運行設(shè)定頻率、設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定線速度、閉環(huán)設(shè)定等等。運行數(shù)據(jù)實際值是由設(shè)定值來決定。例如：實際運行頻率、實際轉(zhuǎn)速等等。當(dāng)狀態(tài)字反映出運行故障時，實際值將為故障代號?！　ｒ灒簬ｒ灧绞綖楫惢蛐ｒ灧?，計算方法為本幀數(shù)據(jù)字節(jié)的連續(xù)異或結(jié)果。　　將變頻器'>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運行2#變頻器'>變頻器。需要將變頻器'>變頻器頻率設(shè)定成F0.03=6起始字節(jié)從機地址命令字功能碼號設(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)定低位校驗碼020200000000047F1388E2　　由通訊可以控制變頻器'>變頻器的起/停、故障檢測、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'>變頻器與PLC通訊控制軟件設(shè)計　　由于系統(tǒng)生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜，所以如何實現(xiàn)PLC與變頻器'>變頻器之間的通信是整個設(shè)計的重點、難點。要實現(xiàn)對變頻器'>變頻器的通訊控制，要求PLC進行通訊編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器'>變頻器信息交換的控制。要求注意以下幾點：　　1）通信程序由通信口初始化、運行、停止、速度設(shè)定等部分組成，主機握手等待時間，從機最長響應(yīng)時間8ms，超時則判定為通信失敗,輪詢RS485網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個從站，主站必需定期輪詢，包括無應(yīng)答時，應(yīng)呼叫三次，保證能及時發(fā)現(xiàn)從站的通信故障。從站在一定時間間隔后若未接收到任何報文則認為發(fā)生斷線故障，隨后進入故障安全狀態(tài)?！　?）PLC程序應(yīng)完成FX2N—485BD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'>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，每個變頻器'>變頻器為一個子站，每個子站均有一個站號，事先由參數(shù)設(shè)定單元設(shè)定。具體參數(shù)如下：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0~211閉環(huán)方式F0.03頻率設(shè)定方式0~966通訊設(shè)定F0.05運行方式選擇0~222通訊控制F2.01起動頻率0~10Hz00出廠為1F3.00ASR比例增益0~63.96PF3.01ASR積分時間0~32s0.80.7IF9.00波特率選擇0~6339600BPSF9.01數(shù)據(jù)格式0~200N,8,1F9.02本機地址2~12623必須設(shè)定F9.12通訊響應(yīng)時間0~20ms1414非標Fd.04線速度系數(shù)0.1~999.999.20.1顯示用　　以上參數(shù)是修改的實際值，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，編碼器的分辨率和轉(zhuǎn)向?！　?）工作過程中，F(xiàn)X2N—485BD發(fā)有關(guān)命令信息后，各個子站均收到該信息，然后每個子站判斷該信息的站號地址是否與本站站號一致。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)上同時只有一個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，這個時間估計為3ms左右，因此在與TD3000通訊時，接收不到變頻器'>變頻器的應(yīng)答數(shù)據(jù)（變頻器'>變頻器返回數(shù)據(jù)約1ms），因此我們考慮變頻器'>變頻器軟件做非標，調(diào)整返回信息時間。(建議可以采用西門子PLC，TD3000矢量變頻器'>變頻器不用做非標產(chǎn)品)　　5）正常工作時變頻器'>變頻器與PLC通訊控制軟件設(shè)計的程序流程圖如下：　　　　七、人機界面觸摸屏的設(shè)計　　在人機界面中，設(shè)計了7幅畫面，包括整體圖形，運行監(jiān)控、參數(shù)修改、速度輸入，故障顯示，機器速度和密碼保護等。故障顯示使用指示器，給出位元件即可實現(xiàn)閃動效果，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、實際應(yīng)用效果　　通過用戶將近一年半的長時間使用證明，TD3000矢量變頻器'>變頻器加編碼器閉環(huán)組成的比例隨動自動控制系統(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：　　1）采用通訊控制變頻器'>變頻器，具有硬件邏輯簡單、抗干擾能力強的特點。以此方式，可以實現(xiàn)全車間的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制?！　?）兩臺電機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?！　?）系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，對于負載的急變，主牽引速度的快速變化都能很快跟隨調(diào)整好?！　?）調(diào)速范圍廣，閉環(huán)可達1000：1，我們采用了變頻電機，在低速情況下完全可以長期運行，在高速下，只要擠出機能滿足要求，主機牽引可達60Hz以上，極大的滿足了產(chǎn)量的要求?！　?）操作簡單，速度比調(diào)整需要在觸摸屏上設(shè)置繩徑、螺距，系統(tǒng)根據(jù)公式自動計算牽引速度比，按下啟動就可以了。　　總之將此技術(shù)運用到涂塑機的速度比例控制上，收到很好的效果，產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提高，調(diào)速方便，減少機器機械的沖擊和磨損，改變電機溫升，延長電機壽命，故障很少且易于排除，得到用戶的歡迎?！　⒖嘉墨I　　1）艾默生TD3000變頻器'>變頻器說明書?！　?）艾默生TD3000變頻器'>變頻器串行通信協(xié)議?！　?）三菱FX2N編程使用手冊?！　?）三菱FX2N-485BD使用說明書。