Modbus技术在变频调速系统上的应用

1 引言

　　预缩机是印染行业中织物后整理的最后一道工序，它是将织物经过机械物理预缩（橡胶毯）的方法，使其预缩率降低，手感改善。基本配置由四个单元组成：给湿单元、橡胶毯预缩单元、呢毯整理单元和出布单元。给湿单元完成预缩前的给湿准备，以使织物拥有一定的含湿量，便于织物预缩。其拖动部分为一只糙皮辊。由一个2.2kw电机拖动。橡胶毯预缩单元是本机的核心，主要是通过橡胶毯挤压以使织物经向产生收缩。挤压由一个φ616mm的辊筒和另一个辊筒的相对运动完成，拖动由一个15kw的电机完成。呢毯整理单元主要用以烘干织物和改善手感，由一个3kw的电机拖动一个φ2000mm的大滚筒完成。出布单元由一个1.5kw的电机拖动摆布斗完成。

　　其工艺流程：进布单元→橡胶毯预缩单元→呢毯整理单元→落布单元。

2 系统配置方案

　　在本方案中，触摸屏采用日本proface公司生产的gp系列，plc采用西门子公司s7-226系列，变频器采用丹佛斯vlt2900系列，由于该系列变频器内已经内置了rs485接口且支持modbus协议，故这使该系统性价比非常高。s7－226系列的cpu内置了两个通信口，这两个通信口都为rs485接口，均可在三种方式下工作，即ppi方式、mpi方式及自由通信口方式。ppi是point-to-point的缩写，即点对点方式，是西门子公司专为s7－200系列开发的一个通信协议，在本案中，笔者可把其中的一个通信口设置为该方式，用以连接hmi，进而做人机交换信息用。而第二个通信口我们把它设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。在该方式下，依据和他通信的其他设备的公开的通信协议来编程s7－200的通信。笔者在本方案中用它连接变频器以实现它们之间的相互通信。相关系统框图如图1所示（基于本文阐述的重点，其它的如变频器和电机组成的自反馈系统不再画出和赘述）。

3 自由口通信和modbus协议

　　自由口通信和modbus协议在s7-226和丹佛斯vlt2900系列变频器的应用过程如下：

　　3.1通讯协议及其在plc和变频器上的基本设置

　　既然双方控制器要建立通信，它们必将共同遵循一定的规约，这即称之为协议。本系统中，plc建立的通讯规约将依从于变频器的规约，即modbus协议，这是因为s7-200支持自由口通信模式。

　　（1）自由口通信模式

　　cpu串行通信口可由用户程序控制，这种操作模式称作自由口通信模式。在该模式下，用户程序可以使用接受中断、发送中断、发送指令（xmt）和接受指令（rcv）来进行通信操作。利用该模式，plc可以和任意第三方串口进行通信。smb30（用于端口0）和smb130（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通信协议。

　　（2）modbus通信协议

　　modbus通信是一种被用于在智能设备间建立主从方式的通信，它可以通过如rs232c、rs485等多种传输方式进行传播。它分为两种串行传输方式：ascii和rtu（remoteterminalunit，远程测控中断）。它们定义了数据如何打包、解码的不同方式。丹佛斯vlt2900系列支持的是rtu方式，其格式是：

　　其中奇偶校验和停止位可以是0，即可以没有。

　　modbus由一个主站（plc）和最多31个从站（本系统中为4个）组成。主站负责发送指令，从站则是响应指令。在某一时刻，只能有一个从站能和主站进行连接。

　　丹佛斯vlt2900系列变频器内置了rs485物理接口，且同时支持modbus协议。其相关的参数如站地址、波特率、校验等在561＃、500＃、570＃及501＃参数组内设置。

　　3.2 plc和变频器通信的信号格式

　　（1）丹佛斯vlt2900系列变频器支持标准的modbus－rtu信号，其格式如下：

　　驱动器地址：本文为变频器地址。值为0～32，若设定为0，即为广播方式，则从plc同时向所有的变频器传送指令信号，而变频器不反馈响应信号。

　　功能码：丹佛斯vlt2900系列支持以下几种功能码（16进制）。

　　数据：存储寄存器地址和数据组合构成一组数据。因指令的内容不同数据长度不同。

　　故障检查：对于rtu方式，一般采用crc－16的方式进行，后面将做进一步的说明

　　（2）丹佛斯vlt2900系列变频器编址

　　既然plc与变频器通信时操作对象是存储器，故变频器内部必须有plc能识别的存储器地址相对应。变频器生产厂家不同会导致其编址方法的不同。丹佛斯vlt2900系列变频器编址和你在其说明书上看到的参数号是遵从一等式的，即

　　参数地址（hex）＝［（参数号×10）－1］（dec）。

　　（3）modbus信号举例

　　通过重写控制字与参考值的方式，启动电机并使之运行在50％的转速下：

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

　　该指令中：

　　［01］为驱动器地址

　　［0f］为功能码，是指本命令为写多个位存储器指令；

　　［00］ ［00］指出将要写入数据的起始地址为位存储器的首地址。

　　［00］［20］为写入长度，20hx＝32dec位数据。

　　［04］为要写入位的总字节数为4个。

　　［7c］ ［04］ 047c是启动电机的控制字内容，在实际传输中为低位前置。

　　［00］ ［20］为电机运行的参考值，在实际传输中低位前置。

　　［9d］ ［01］为计算出的crc-16值

　　正常时其响应信号应为：

　　［01］ ［0f］ ［00］ ［00］ ［00］ ［20］ ［54］ ［13］

　　按频率指令60.0hz传送到1＃变频器（地址为01），

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

　　正常时响应信号为： ［01］［06］［04］［0f］［00］［3c］［b8］［e8］

　　3.3信号的发送和接受指令

　　当信号格式被确定后，笔者所要做的是从plc如何把它们发送出去和如何接收变频器的响应信号了，在自由口模式当中，信号可以用xmt命令发送，用rcv命令接收，另外，还可以利用smb2（接收缓冲字节）配合其它如mov指令等来实现字符的接收。在s7-200系统中，设计了诸如发送完成、接收完成等中断事件，则将很方便的通过它们来控制整个程序的运行。

4 plc程序的设计

　　（1）数学模型

　　由于各个单元间是采用线性比例同步的，所以构建其数学模型非常简单，只要使某单元的转速和其相邻上一级单元遵循数学公式v1＝k×v2即可。为了调节两单元之间的张力，只需调节两单元间比例k即可。这里需提醒注意的是：某一单元的转速必须以上一级为基础进行比例调节，这样才不至于在调节单元的速度时，影响其它单元间的张力。

　　（2）程序框图及其说明

　　程序框图如图2所示。

　　（3）程序结构说明

　　程序结构包括主程序、初始化子程序、停车子程序、开车子程序、比例设定子程序和速度计算子程序。其中与通信有关的程序有crc-16校验程序、发送中断程序、接收中断程序等。下面主要介绍一下crc-16校验程序。

　　crc是 “cyclical rendundancy check” （循环冗余码校验）的英文简称。

　　crc码为2个字节，16位的二进制值。故又叫crc-16。由发送设备计算crc值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算crc值并与crc的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于crc处理。起始位，停止位和校验位不参与crc计算。

　　crc校验时，每个8位数据与该寄存器的低位内容进行异或运算，然后向最低有效位（lsb）方向移位，同时用零填入最高有效位（msb）后，再对lsb检查，若lsb=1，则寄存器与生成多项式（16＃a001）异或，若lsb=0，不作异或运算。

　　重复上述处理过程，直至移位8次，最后一次（第8次）移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值为crc值。

　　在程序编制时，可以使用for/next指令，并使用一次嵌套。在发送时，crc值附加到信息时，低位在先，高位在后。

5 结束语

　　通过实践证明，该方案使得系统布线变得简单，使系统的抗干扰性明显增强。为该设备的系统升级作出了应有的贡献。