【摘要】 本文介紹了通過(guò)三菱PLC作為主站與多臺(tái)艾默生公司的TD3000系列變頻器用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)鍵詞】 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 Abstract: This paper gives a detailed introduction about the precise timing control system of the inverter, using Mitsubishi PLC network as the main platform, connected with many Emerson Network Power TD3000 inverters by RS458 communication network. It also discusses in detail the base structure, the principle, and the communication protocol of the system, explicates the superiority of the system comparing with other similar systems, and gives the frame diagram of the system, and the software implementation procedure of the PLC system. Key Words: PLC inverter multi-motor-control RS485 network communication protocol timing control 一、引言 　　近年來(lái)，交流調(diào)速的發(fā)展十分迅速，打破了過(guò)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)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(guò)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。 　　工作時(shí)操作人員通過(guò)控制PLC設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出(0~10VDC或4~20mA)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，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)模生產(chǎn)自動(dòng)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)換模件使系統(tǒng)成本增加等問(wèn)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(wú)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(guò)RS485接口使用變頻器專(zhuān)用通訊協(xié)議對(duì)兩臺(tái)艾默生公司的TD3000系列變頻器進(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。 　　成品鋼繩經(jīng)過(guò)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，經(jīng)過(guò)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(guò)觸摸屏來(lái)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， 　　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(guò)不同畫(huà)面將PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)、輸入(I)輸出(O)狀態(tài)、各個(gè)動(dòng)作過(guò)程，以及全機(jī)故障查詢、工藝參數(shù)等一一顯示出來(lái)，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(guò)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)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。 3)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接口的通訊單元，符合RS—485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(guò)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(méi)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(wú)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（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(guò)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 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)： 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”P(pán)LC控制網(wǎng)。如下圖 　　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，1－31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(guò)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)：02H 從機(jī)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(hào)+功能碼號(hào)功能碼組號(hào)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 功能碼設(shè)定/實(shí)際值：變頻器參數(shù)設(shè)置，修改范圍見(jiàn)參數(shù)表 控制字/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(lái)設(shè)定，通過(guò)設(shè)定功能碼的形式來(lái)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(lái)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)。 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） 　　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(guò)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(guò)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(wú)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FX2N—485BD通訊適配器的初始化、<