基于Modbus协议的PLC与变频器通信控制研究与实现.pdf

电气 自动化} 2 0 1 5年第 3 7卷 第 4期 自动控制系统与装置 Au t o ma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u ip me 基于 Mo d b u s协议的 P L C与变频器通信控制研 究与实现 张顺星 ，梁小 宜 1 ． 陕西工业职业技术学院。 陕西 咸阳7 1 2 0 0 0 ； 2 ． 麦克传感器有限公司。 陕西 宝鸡7 2 1 0 0 6 摘要讨论了基于Mo d b u s 协议的P L C与变频器通信的原理及实现方法。并以欧姆龙 C P 1 EN A型P L C和欧姆龙3 G 3 MX 2变频器为 例， 详细研究了P L C与变频器连接 、 M o d b u s 协议信息构成及 P L C功能编程等， 实现 P L C通过Mo d b u s 协议对变频器进行控制及 状态监视。 关键词Mo d b u s 协议 ； P L C； 变频器； 通信； 功能码 D 0I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 8 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 5 0 4 0 0 8 4 0 3 Re s e a r c h a n d Re a l iz a t io n o f Co mmu n i c a t i o n Co n t r o I b e t we e n PL C a n d l n v e r t e r Ba s e d o n Mo d b u s Pr o t O C O l Z HANG S h u n x i n g ．L I ANG Xi a o - y i 1 ． S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， X i a n y a n g S h a a n x i 7 1 2 0 0 0， C h i n a ； 2 ． Mi e r o S e n s o r C o ． ， L t d ． ， B a o j i S h a a n x i 7 2 1 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e a n d r e a l i z a t i o n me t h o d o f c o mmu n i c a t i o n b e t w e e n P L C a n d i n v e r t e r b a s e d o n Mo d b u s p r o t o c o 1 ． T a k i n g O MRON CP 1 E NA P L C a n d 3 G3 MX 2 i n v e r t e r a s e x a mp l e ，i t s t u d i e s i n d e t a i l t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e P L C a n d i n v e rt e r ， i n f o r ma t i o n s t r u c t u r e o f Mo d b u s p r o t o c o l a n d P L C p r o g r a mmi n g ，a n d r e a l i z e s P L C’c o n t r o l a n d s t a t e mo n i t o r i n g o f t h e i n v e r t e r t h r o u g h Mo d b u s p r o t o c o 1 ． Ke y wo r d s Mo d b u s p r o t o c o l ；P L C；i n v e rt e r ；c o mmu n i c a t i o n；f u n c t i o n c o d e O 引 言 在工业现场中， 使用 P L C对变频器进行调速控制通常有以 下几种方法 1 使用 P L C的数字量输出控制变频器的逻辑输 入， 通过变频器逻辑输入的组合， 实现电动机的启动、 停止等控制 及预设的多段速度频 率给定， 适用 于几段 固定频率运行的场 合⋯。 2 使用 P L C的模拟量输出 D ／ A模块， 接人变频器的模 拟量输入端作为频率给定信号， 实现电动机转速的连续控制。 3 使用通信的方式， 通过串行通信总线， 将 P L C与变频器组成 通信网络 ， 可实现变频器的远程控制及监视运行状态的功能。综 合比较 ， 使用通信的方式对变频器进行控制与监视， 不仅具有节 省模拟量 A ／ D、 D ／ A模块 ， 线路简单 ， 不 占用 P L C I ／ O端 口的特 点， 而且可以实现高精度、 高稳定性的变频调速系统， 配合上位机 或触摸屏， 还可获取变频器的各种运行状态参数， 如运行频率、 电 流 、 电压等 。 使用通信的方式实现 P L C对变频器的有效控制及状态监 视， 关键是要掌握 P L C和变频器之间的通信协议。本文以欧姆 龙 C P 1 E ． N A型 P L C和欧姆龙 3 G 3 M X 2变频器为例， 详细研究了 P L C与变频器连接、 Mo d b u s 协议信息构成及 P L C功能编程等 ， 实 现 P L C通过 Mo d b u s 协议对变频器进行控制及状态监视。 l 系统构成 P L C通过 Mo d b u s 协议控制变频器系统结构如图 1所示 ， 系 定稿 日期 2 0 1 41 01 5 基金项 目陕西工业职业技术学院科研 项 目 Z K1 21 9 8 4 E le c t d c a I Au t o ma t io n 统使用一 台欧姆龙 C P 1 E ． N A型 P L C作 为 Mo d b u s主站， 使用 Mo d b u s ． R T U协议控制两台欧姆龙 3 G 3 MX 2变频器， 每台变频器 分别驱动一台电动机， 变频器作为 M o d b u s 从站。 3 G 3 M X 2 变频器 电动机 图 1 P L C与变频器的 Mo d b u s 通信 示意 图 C P 1 EN A型 P L C是 欧姆龙 的小型 应用 型 P L C ， 功 能强 大 ， 性价比高， 安装 R S～ 4 2 2 A ／ 4 8 5选件板 ， 将其配置为 R S一4 8 5通 信方式， 可 以构成 M o d b u s通信 总线 ， 最多可 以控制 2 4 7台变 频器 。 3 G 3 MX 2变频器是欧姆龙的紧凑型高功能小型变频器 ， 支持 无传感器矢量控制和带速度反馈的 V ／ F控制， 内置 R S 4 8 5通信 口支持 Mo d b u s 协议 。 2 变频器与 P L C连接及参数设置 C P 1 E N A型 P L C的 C P U单元上有两个串行端口 串口1 、 串口2 ， 其中串口1为内置的R S一 2 3 2 C接 口， 串口2可使用 R s 一 4 2 2 A ／ 4 8 5选件板 C P 1 WC I F 1 1 配置为 R S一 4 8 5接口 。 动控制系统与装置 皇 兰 竺 兰竺 Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e ms＆ E q u i p me n R S一 4 2 2 A ／ 4 8 5选件板有五个接线端子 ， 分别是 R D A一、 R D B 、 S D A一、 S D B、 F G， 既可以接成 R S一 4 2 2 A全双工通信方式 ， 也可以接成 R S一 4 8 5半双工通信方式。当使用 R S一 4 8 5通信方 式时， 选件板背部 6个 D I P开关 S W1 一S W6应分别设置为， S W2 、 S W3 、 S W5 、 S W6 设置为 O N， S W4设置为 O F F， S W1控制终端电阻 开关。为使 R S 4 8 5通信保持稳定， 应将总线末端变频器终端电阻 切换开关拨到 O N的位置。 P L C与变频器连接时， 使用双绞屏蔽电缆连接 C P 1 WC I F 1 1 和3 G 3 M X 2变频器， 电缆的一端接在选件板 C P 1 W C I F 1 1的 S D A一、 S D B端子， 另一端接 3 G 3 MX 2变频器控制电路端子块的 R S 一、 R s 端子上 ， 如图 2所示， 当有多台变频器进行连接时， 只 需将后续变频器的R s一、 R s端子与第一台变频器的 R s一、 R s 端子并联即可 。 图 2 P L C与变频器的连接 使用操作面板对变频器按照表 1 设置通信参数。 表 1 变频 器参数 设置 3 M o d b u s 协议信息构成 Mo d b u s 协议是目前应用于现场控制器上最广泛的一种通用 协议， 已经成为一种通用工业标准 ， 使得不同厂商生产的控制设 备可以连成工业网络进行集中监控 。 Mo d b u s协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据 单元 P D U P r o t o c o l D a t e U n i t 。特定总线或网络上的 Mo d b u s 协议映射能够在应用数据单元 A D U 上引入一些附加域， 串行 链路上的 M o d b u s 帧， 如图 3所示。 从主站发送至从站的指令信息叫做“ 请求” ， 从站对此的回 复信息叫做“ 应答” 。Mo d b u s 协议请求与应答的传送格式如表 2 所示 。 M o d b u s 帛行链路A D U 圆圆圆匝 圃 M o d b u s P DU 图 3 串行链 路上 的 Mo d b u s 帧 表 2 Mo d b u s 协议请求与应答的传送格式 请求 应答 从站地址 功能码 请求数据 错 误校验 C R C一1 6 确认用从站地址 确认用功能码 应答数据 错误校验 C R C一1 6 在 C P 1 E N A型 P L C的数据存储区 D M中， 分配了固定的存 储空间用于进行 Mo d b u s ． R T U通信。当使用串行选件端 口进行 通信时， D 1 3 0 0一D 1 3 4 9存储的是“ 请求” 指令的信息， 其中 D 1 3 0 0 表示从站变频器地址， D 1 3 0 1表示功能代码， D 1 3 0 2表示通信数 据字节数 ， D 1 3 0 3一D 1 3 4 9表示具体的请求通信数据； D 1 3 5 0一 D 1 3 9 9存储的是“ 应答” 指令的信息， 其中D 1 3 5 0表示从站变频器 地址 ， D 1 3 5 1表示功能代码， D l 3 5 2表示通信错误代码， D 1 3 5 3表 示应答的字节数， D 1 3 5 4一D 1 3 9 9表示具体的应答通信数据。 因此， 在数据存储区 D M中的 D1 3 0 0一D 1 3 4 9中保存的是要 发送给变频器的 Mo d b u s R T U命令。当串行选件端 口的通信使 能位A 6 4 1 ． 0 0由0 1 时， M o d b u s R T u命令 自动发出， 变频器返 回的应答保存在 D 1 2 5 0～D 1 2 9 9中。 P L C执行 Mo d b u s ． R T u命令时， 使用“ 功能码” 来指定变频器 执行 的功 能 。用到 的部分功能码如表 3所示 。 表 3 Mo d b u s 协议部分功能码 4 控制系统程序设计 4 ． 1 P LC通信 端 口设置 打开欧姆龙 P L C编程软件 C XP r o g r a m m e r ， 在左侧工程 目 录下 ， 双击在 P L C工程中的“ 设置” 图标 ， 打开“ 串行选项端 口” 标 签页， 进行 P L C通信参数设置。具体参数设置为， 通信设置 定 制 ； 波特率 9 6 0 0 ； 格式 8 ， 1 ， E ； 模式 Mo d b u s R T U简易主站 。 4 ． 2 P LC控制变频器运行、 停止 在 3 G 3 MX 2变频器 Mo d b u s ． R T U通信的位地址中， “ 运行指 令” 对应的位编号为 0 0 0 1 h ， 该位状态设置为 1时， 变频器运行； 设置为0时， 变频器停止。因此， 可以通过 M o d b u s 通信功能码 0 5 h 写入位地址 改变位编号 0 0 0 1 h的状态来控制变频器运行和 El e c t r i c a I Au t o ma t i o n 8 5 电气 自动化 2 0 1 5年第 3 7卷 第 4期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e ms＆ E qu ip me n t s 停止， 程序设计流程图如图 4所示。当启停开关接通时， 变频器 开始运行； 当启停开关断开时， 变频器停止运行。 图 4 P L C控制变频器运行、 停止程序设计流程图 4 ． 3 P L C对变频器进行频率给定及状态监控 在 3 G 3 MX 2变频器 Mo d b u s ． R T U通信的寄存器地址中， “ 输 出频率设定” 对应的寄存器编号为0 0 0 1 h F 0 0 1 H I G H 高位和 0 0 0 2 h F 0 0 1 L O W 低位， 当变频器输出频率小于6 5 5 ． 3 5 Hz 时， 可只是用0 0 0 2 h F O O l L O W 低位。通过M o d b u s 通信功能码 0 6 h 写入寄存器 改变寄存器编号 0 0 0 2 h的数值来控制变频器输 出频率， 程序设计流程图如图 5所示。当频率给定信号接通时， 变频器按 照 l 0 Hz 运行 。 当使用 P L C对变频器进行运行状态监控时， 只需要使用功 能码0 3 h 读取寄存器的内容 ， 读取对应的寄存器地址即可， 如 监控变频器输出电流， 只需要读取寄存器 1 0 0 3 h即可。 上接第 4 0页 [ 2 ]T E Y M O U R H R ， S U T A N T O D， M U T I A Q I K M， e t a1 ．S o l a r P V a n d Ba t t e r y S t o r a g e I n t e g r a t i o n u s i n g a Ne w C o n fig u r a t i o n o f a T h r e e L e v e l N P C I n v e r t e r Wit h Ad v a n c e d C o n t r o l S t r a t e g y [ J ] ．2 0 1 4 ． [ 3 ]L E W I C K I A， K R Z E M I N S K I Z ， A B U R U B H ．S p a c e v e c t o r p u l s e w i d t h mo d u l a t i o n f o r t h ee - l e v e l NPC c o n v e l r wi t h t h e n e u t r al p o i n t v o l t a g e c o n t r o l 『 J ] ．I n d u s t r i al E l e c t r o n i c s ，I E E E T r a n s a c t i o n s o n ，2 0 1 1 ，5 8 1 1 5 0 7 65 0 8 6 ． [ 4 ]王万宝， 张犁， 胡海兵， 等． 单相半桥三电平并网逆变器中点电压不平 衡机理及其均压控制策 略[ J ] ． 中国电机工 程学报 ， 2 0 1 4， 5 1 6 8 3 9 8 4 5． [ 5 ]江才 ， 宋文胜 ， 王顺亮 ， 等． 一种三 电平 中性点钳位逆变器 中点 电位 控 制算法 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 0 1 4， 3 8 7 8 8 9 4 ． 【 6 ]s T A L A R． A p p l i c a t i o n o f b a l a n c i n g c i r c u i t f o r D C - l i n k v o l t a g e s b a l a n c e in a s i n g l e p h a s e d i o d e c l a m p e d i n v e rt e r w i t h t w o t h r e e l e v e l l e g s [ J ] ． 8 6 E l e c t r ic a f A u t o ma t io n 在D 1 3 0 0 中写入从站地址0 0 在D I 3 0 1 中写fiaMo d b u s 信功 能码 0 6 在D 1 3 0 3 中写入 “ 输出频率设定”寄存 器号 0 0 0 1 ，E O O O 2 h ～ 1 在0 1 3 0 4 中写入＆ 1 0 0 0 ，表示十进制 1 0 0 0 ，该寄存器数据分辨率为0 ． 0 1 1 置位通信使能位A6 4 1 ．0 0 图 5 P L C对变频器进 行频率给定程序设计流程图 5 结束语 本文详细讨论 了使用 Mo d b u s 通信的方式实现 P L C对变频 器进行有效控制及状态监视的方法 ， 该方法已通过现场调试， 在 光伏玻璃生产线中得到了现场应用。实际运行表明该系统具有 性价比高， 线路简单 ， 控制性能指标良好 、 可靠的特点。 参考 文献 [ 1 ]黄金凤， 张进， 李占贤， 等． P L C与变频器间的通信实现[ J ] ． 工矿自动 化 ， 2 0 0 7， 3 5 5 9 59 7 ． [ 2 ]王冬青． 欧姆龙 C P 1 系列 P L C原理与应用[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ]徐世许 ， 王凤杰 ， 纪志坚． 使用通信协议宏实现 P L C对变频 器的监控 [ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 3 73 9 ． [ 4 ] 田二亮 ， 李蓓智 ， 杨建 国， 等． 基 于 Mo d b u s的高速电 主轴 监控方案 实 现 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 4， 3 6 4 1 4 2一l 4 4 ． [ 5 ]黄建军， 陈西曲． 基于M o d b u s T C P ／ I P通信的研究与实现[ J ] ． 信息技 术 ， 2 0 1 4 ， 3 8 5 1 6 21 6 4 ． [ 6 ]欧姆龙 自动化 中国 有限公司公司． MX 2系列 3 G 3 MX 2多 功能小型 变频器用户手册[ K] ． 2 0 1 0 ． [ 7 ]戴一平． 可编程序控制器技术训练与拓展[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． 【 作者简介】张顺星 1 9 8 0一 ， 男， 河南焦作人， 陕西工业职业技术学院电 气工程 学院讲 师， 硕士 ， 研 究方 向 为电气 自动 化控制 。 梁小 宜 1 9 8 1 一 ， 男， 陕西宝鸡人 ， 麦克传感器有限公司工程 师， 学士， 研 究方向为 自动 化仪 器仪表 。 I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ，I E E E T r a n s a c t i o n s o n，2 0 1 1 ，5 8 9 4 1 8 5 41 9 5． [ 7 ]曾翔君 ， 张晓 ， 杨 永兵 ， 等． 具有飞跨电容辅 助桥臂 的三电平 中点钳位 逆变器方案[ J ] ． 电力系统 自动化， 2 0 1 4， 3 8 8 8 4 9 O ． [ 8 ] 曾正 ， 杨欢 ，赵荣祥 ， 等 ．一种 多功能并 网逆变器 主 电路 及其控 制 [ J ] ．电力 自动化设备， 2 0 1 3， 3 3 1 5 56 1 ． 【 作者简介】王晓 1 9 8 9 一 ， 男， 河南人 ， 硕士生， 专业 控帮 】 理论与控制 工程 ， 新能源并 网逆变器。 王喜明 1 9 8 5一 ，男， 河北人 ， 硕 士生 ， 研 究 方向为电力 电子与 电机控 制， 轮 毂 电机设计 。 屈稳 太 1 9 6 3一 ， 男， 博 士， 副教授 ， 主要研 究领 域 是 电能 变换 与 电气传 动 ， 智 能控 制。 赵 媛 1 9 8 6一 ， 女 ， 山西人 ， 硕士生 ， 研 究方向为电力电子与 电机控制 ，嵌入 式 系统。 张琴 1 9 9 0一， 女 ， 江 苏人 ， 硕 士生 ， 研 究方 向为 电力电子与 电 机控 制． 智能控制 。 [ [ 信 一 定 _ 上 - 给 f 率 1 频 一 一． ．． ．● ． ● ●