Modbus技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)上的應(yīng)用

1 引言

　　預(yù)縮機(jī)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)過機(jī)械物理預(yù)縮（橡膠毯）的方法，使其預(yù)縮率降低，手感改善。基本配置由四個(gè)單元組成：給濕單元、橡膠毯預(yù)縮單元、呢毯整理單元和出布單元。給濕單元完成預(yù)縮前的給濕準(zhǔn)備，以使織物擁有一定的含濕量，便于織物預(yù)縮。其拖動(dòng)部分為一只糙皮輥。由一個(gè)2.2kw電機(jī)拖動(dòng)。橡膠毯預(yù)縮單元是本機(jī)的核心，主要是通過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(duì)運(yùn)動(dòng)完成，拖動(dòng)由一個(gè)15kw的電機(jī)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(jī)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(jī)拖動(dòng)擺布斗完成。

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

2 系統(tǒng)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(nèi)已經(jīng)內(nèi)置了rs485接口且支持modbus協(xié)議，故這使該系統(tǒng)性價(jià)比非常高。s7－226系列的cpu內(nèi)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，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，是西門子公司專為s7－200系列開發(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(shè)置為該方式，用以連接hmi，進(jìn)而做人機(jī)交換信息用。而第二個(gè)通信口我們把它設(shè)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(jù)和他通信的其他設(shè)備的公開的通信協(xié)議來編程s7－200的通信。筆者在本方案中用它連接變頻器以實(shí)現(xiàn)它們之間的相互通信。相關(guān)系統(tǒng)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(jī)組成的自反饋系統(tǒng)不再畫出和贅述）。

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(yīng)用過程如下：

　　3.1通訊協(xié)議及其在plc和變頻器上的基本設(shè)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(guī)約，這即稱之為協(xié)議。本系統(tǒng)中，plc建立的通訊規(guī)約將依從于變頻器的規(guī)約，即modbus協(xié)議，這是因?yàn)閟7-200支持自由口通信模式。

　　（1）自由口通信模式

　　cpu串行通信口可由用戶程序控制，這種操作模式稱作自由口通信模式。在該模式下，用戶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(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)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(shè)備間建立主從方式的通信，它可以通過如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(yuǎn)程測(cè)控中斷）。它們定義了數(shù)據(jù)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(yàn)和停止位可以是0，即可以沒有。

　　modbus由一個(gè)主站（plc）和最多31個(gè)從站（本系統(tǒng)中為4個(gè)）組成。主站負(fù)責(zé)發(fā)送指令，從站則是響應(yīng)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(nèi)置了rs485物理接口，且同時(shí)支持modbus協(xié)議。其相關(guān)的參數(shù)如站地址、波特率、校驗(yàn)等在561＃、500＃、570＃及501＃參數(shù)組內(nèi)設(shè)置。

　　3.2 plc和變頻器通信的信號(hào)格式

　?。?）丹佛斯vlt2900系列變頻器支持標(biāo)準(zhǔn)的modbus－rtu信號(hào)，其格式如下：

　　驅(qū)動(dòng)器地址：本文為變頻器地址。值為0～32，若設(shè)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(hào)，而變頻器不反饋響應(yīng)信號(hào)。

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

　　數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)寄存器地址和數(shù)據(jù)組合構(gòu)成一組數(shù)據(jù)。因指令的內(nèi)容不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同。

　　故障檢查：對(duì)于rtu方式，一般采用crc－16的方式進(jìn)行，后面將做進(jìn)一步的說明

　　（2）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(duì)象是存儲(chǔ)器，故變頻器內(nèi)部必須有plc能識(shí)別的存儲(chǔ)器地址相對(duì)應(yīng)。變頻器生產(chǎn)廠家不同會(huì)導(dǎo)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明書上看到的參數(shù)號(hào)是遵從一等式的，即

　　參數(shù)地址（hex）＝［（參數(shù)號(hào)×10）－1］（dec）。

　?。?）modbus信號(hào)舉例

　　通過重寫控制字與參考值的方式，啟動(dòng)電機(jī)并使之運(yùn)行在50％的轉(zhuǎn)速下：

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

　　該指令中：

　?。?1］為驅(qū)動(dòng)器地址

　?。?f］為功能碼，是指本命令為寫多個(gè)位存儲(chǔ)器指令；

　?。?0］ ［00］指出將要寫入數(shù)據(jù)的起始地址為位存儲(chǔ)器的首地址。

　?。?0］［20］為寫入長(zhǎng)度，20hx＝32dec位數(shù)據(jù)。

　?。?4］為要寫入位的總字節(jié)數(shù)為4個(gè)。

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

　　［00］ ［20］為電機(jī)運(yùn)行的參考值，在實(shí)際傳輸中低位前置。

　?。?d］ ［01］為計(jì)算出的crc-16值

　　正常時(shí)其響應(yīng)信號(hào)應(yīng)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(hào)：［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］

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

　　3.3信號(hào)的發(fā)送和接受指令

　　當(dāng)信號(hào)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(yīng)信號(hào)了，在自由口模式當(dāng)中，信號(hào)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(jié)）配合其它如mov指令等來實(shí)現(xiàn)字符的接收。在s7-200系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了諸如發(fā)送完成、接收完成等中斷事件，則將很方便的通過它們來控制整個(gè)程序的運(yùn)行。

4 plc程序的設(shè)計(jì)

　?。?）數(shù)學(xué)模型

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

　?。?）程序框圖及其說明

　　程序框圖如圖2所示。

　　（3）程序結(jié)構(gòu)說明

　　程序結(jié)構(gòu)包括主程序、初始化子程序、停車子程序、開車子程序、比例設(shè)定子程序和速度計(jì)算子程序。其中與通信有關(guān)的程序有crc-16校驗(yàn)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(yàn)程序。

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

　　crc碼為2個(gè)字節(jié)，16位的二進(jìn)制值。故又叫crc-16。由發(fā)送設(shè)備計(jì)算crc值，并把它附到信息中去。接收設(shè)備在接收信息過程中再次計(jì)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(cuò)誤，校驗(yàn)開始時(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(jié)數(shù)據(jù)放到當(dāng)前寄存器中處理，只有每個(gè)字符的8位數(shù)據(jù)用于crc處理。起始位，停止位和校驗(yàn)位不參與crc計(jì)算。

　　crc校驗(yàn)時(shí)，每個(gè)8位數(shù)據(jù)與該寄存器的低位內(nèi)容進(jìn)行異或運(yùn)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(duì)lsb檢查，若lsb=1，則寄存器與生成多項(xiàng)式（16＃a001）異或，若lsb=0，不作異或運(yùn)算。

　　重復(fù)上述處理過程，直至移位8次，最后一次（第8次）移位后，下一個(gè)8位字節(jié)數(shù)據(jù)與寄存器的當(dāng)前值異或，再重復(fù)上述過程。全部處理完信息中的數(shù)據(jù)字節(jié)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(jié)束語

　　通過實(shí)踐證明，該方案使得系統(tǒng)布線變得簡(jiǎn)單，使系統(tǒng)的抗干擾性明顯增強(qiáng)。為該設(shè)備的系統(tǒng)升級(jí)作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。