基于PLC Modbus的多电机无传感器控制系统.pdf

第 6期 总第 1 9 3期 2 0 1 5年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMATI ON No ．6 De c ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 6 0 1 4 0 0 3 基于 P L C Mo d b u s的多电机无传感器控制系统米 王建华 ，徐 昆鹏 徐 州工 业职 业技 术学院 机 电工程 学院，江 苏 徐州 2 2 1 1 4 0 摘要 针对 多电动机 变频调 速 同步 控制 系统，提 出 了基 于 P L C Mo d b u s通讯 协 议 的控 制方 案。P L C通过 Mo d b u s 总线实时地向变频器读取或 写入 数据 ，电机速度 由总线读入 P L C，再经过 P I D处理后调 节各变频器 的速度 给定 ，实现速度 闭环控制 ，保证多 电动机 同步运 行。经实验证 明，该 控制 系统结构 简单、易 于实现 ， P I D速度 闭环控制无 需添加测速元件 ，且数字信号不易受到干扰。 关键词 多电机 ；P L C Mo d b u s网络通讯 ；无传感器控制 系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 在输送机、 印刷机、 造纸机等设备 中， 存在几个甚 至几十个传动轴 ， 以往普遍采用一个电机输出动力， 通 过机械传动 如同步带 、 齿轮等 实现各轴的同步 ， 这种 控制系统虽然结构简单 ， 但机械传动存在精度差 、 磨损 大、 故障多 、 不易维修等问题 。而采用各轴分别由独立 电机驱动， 通过控制系统实现各电机的同步控制 ， 则可 以避免 上述 问题 。 在 多传 动轴 独立 电机 驱动 系统 中 ， 如 何 保证 各 电 机同步 ， 以及如何实现速度 闭环控制是关键 。以往普 遍采用 P L C模拟量控制， 采用编码器或旋转变压器等 测速元件实时采集 电机速度并反馈 ， 进行 P I D闭环控 制。这种控制方法硬件线路复杂 ， 不易维护维修 ， 模拟 信号存在干扰。针对上述 问题 ， 本文提 出了基于 P L C Mo d b u s的多 电机无传感器控制系统[ 1 ] 。 1 基 于 P L C Mo d b u s的多 电机 无传 感器控 制 系统 基于 P L C Mo d b u s的多 电机无传感 器控制系统 采用 3层结构， 如图 1 所示。第一层为传动控制层 ， 如 采 用 AB B公 司 的 AC S 5 5 0 0 1矢量 控 制 变 频 器 ； 第 二 层 为 P L C控 制层 ， 如采 用 S i e me n s s 7 2 0 0 P L C作 为 主 控制器， 使用威伦触摸屏进行现场监控， 通过 Mo d b u s 现场总线 将 P L C和变频 器组成 网 络通讯 系统 ， 进行 实 时高速 通 讯 ， 协 调 工 作 ； 第 三 层 为 上 位 控 制 层 ， 采 用 W I NC C组 态监 控界 面 ， 实 时监 控 整机 运行 ， 上位 机 和 7 - 2 o o P L C之 间为 以太 网通 讯 。 控制系统的各 电机要求速度 同步， 而且当负载发 生变化 时 ， 速度 能 维持 恒定 ， 为此 ， 将 P L C Mo d b u s 现 场总线读取的电机速度作为反馈 电机上无需安装速 度检 测元 件 ， 再 经过 P L C的 P I D处 理后 ， 实现 速度 闭 环控 制 一 。 第三层 第二层 第一层 图 1 基于 P I C Mo d b u s的多电机无传感器控制 系统 2 AB B变频 器与 S 7 2 0 0 P LC之 间的 Mo d b u s通 讯 2． 1 M o dbu s协 议 Mo d b u s 是 MOD I C O N 公 司于 1 9 7 9年 开发 的一 种通讯协议 ， 它是一种在工业领域被广泛应用的开放 的标准 的 网络 通 讯 协 议 ， 常 用 的 传 输 模 式 有 Mo d b u s AS C I I 和 Mo d b u s R TU 两种 。一般 来说 ， 通讯 数 据量 大而且 是 二 进 制 数 时 ， 采 用 Mo d b u s RT U； 数 据 量 少 且 主 要 是 文 本 时 ， 采 用 Mo d b u s AS C I I 。 本 文 采 用 M o db us RTU 。 Mo d b u s 通讯 使 用 主一从 协 议 ， 只有 主设 备 能 发 起数据传输 ， 而从设备 只能对主设备发 出的指令作 出 反 应 。本控 制 系统 中主设 备 是 S 7 2 0 0 P L C， 从 设 备 是 AC S 5 5 O变 频器 。Mo d b u s系统 在 理 论 上 只能 有 一 个 主站 和最多 3 1 个 从站 。 2 ． 2 Mo d b u s通 讯 电缆制作 AC S 5 5 0变频器内置 R S 4 8 5 作为 Mo d b u s的物理 *徐州工业职业技术学院院级课题 X GY2 0 1 4 1 6 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 1 8 ；修订 日期 2 0 1 5 0 9 2 9 作者简介 王建华 1 9 8 1 一 ，男 ，山东临沂人 ，讲师 ，硕士 ，研究方向为电气控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 6期 王建华 ， 等 基 于 P L C Mo d b u s的 多电机无传感 器控制 系统 ‘ 1 4 1 ‘ 接 口， 支持 R TU传输模式 。硬件上 ， 变频器的 2 8 ～3 2 端子用于 R S 4 8 5通 讯 ， 使 用屏蔽双 绞线连接 ， 如 图 2 所示 。连接时应 该注意不要将 R S 4 8 5网络 在任何点 直接接地 ， 使用网络 中设备上的接地 端子将各设备接 地 ， 任何 一个 接 地导 线都 不应 构 成一个 环 路 ， 并 且 所有 设 备 应该 接 到一 个公 共 地上 ； 为 了减 小 网络 中 的干扰 ， 在网络两端用 1 2 0 0 Q的电阻来作为 RS 4 8 5网络的终 端电阻， 使用 D I P开关来连接或断开终端电阻 。 S CI1 B A G ND B A G ND S CR A CS 5 5 0 X3 一／／ ／ 32 SCll 一 J l 图 2 Mo d b u s通 讯 连 接 2 ． 3 AB B变频 器 Mo d b u s通讯 参数 设 置 当 s 7 2 0 0 P L C和 AB B变频 器 的硬 件 连接 好之 后 ， 要激活变频器 与 P L C之 间的 Mo d b u s通讯 ， 首先 需要 设 置 参 数 9 8 0 2 C 0MM P R 0T 0C 0L S E L 通 讯 协议选择 一1 标准 Mo d b u s ， 然后通过修改 5 3组 内 置 现 场总 线 E F B 参数 进 行 通 讯设 置 ， 需要 设 置 的 5 3 组 参 数如 下 5 3 0 2 E F B S I O N I D E F B站号 设置 5 3 0 2 1 ； 5 3 0 3 E F B B AUD RATE E F B 波 特 率 设 置 53 0 3 9． 6 kbp s； 5 3 0 4 E F B P AR I TY E F B校 验 设 置 5 3 0 41 ， 即检 验方 式 为 8 N2 ； 5 3 0 5 E F B C TR L P R OF I L E E F B控 制 通 讯 配 置 文件 设 置 5 3 0 5 0 。 AB B变 频 器 激 活 Mo d b u s总线 控 制 功 能 需 要 设 置 如下 参数 1 0 0 1是 外部 1 命 令 ， 设 置 1 0 0 1 1 0 ， 表 示 启 、 停 、 方 向信 号来 自总线 控制 ； 1 1 0 2是外部 1 ／ , b 部 2选择 ， 设置 1 1 0 2 8 ， 表示 外部 1 ／ 外部 2选择通过总线控制 ； 1 1 0 3给定值 1 选择 ， 设置 1 1 0 3 8 ， 表示速度给定 值来 自总线控制。 上述 参 数 将 映 射 到 4 x x x x保 持 寄 存 器 ， 其 中 4 0 0 0 1 4 0 0 9 9映射到传动控制和实际值 ， 如 4 0 0 0 1表 示外部 1命令 ， 4 0 0 0 2表示给定值 1 。其他参数都可 以 通 过 参 数 号 前 加 上 4的 格 式 来 进 行 访 问 ， 如 参 数 0 1 0 2 ， P L C通过 访 问 4 0 1 0 2寄 存 器 ， 就 可 读 出变 频 器 的实 际输 出速 度值 ] 。 3基 于 P L C Mo d b u s 通 讯 协议 的速 度 闭环控 制 基 于 P L C Mo d b u s通讯 协议 的速 度 闭环控 制如 图 3所 示 。首 先 ， S 7 2 0 0 P L C通 过 Mo d b u s采 集 电机 输 出速度作为反馈值 ， 并与速度设定值 比较 ， 差值作为 速度给定 ， 电流闭环由变频器 内部完成 ， 无需考虑 。该 系统的优点是无需加装编码器或旋转变压器等检测元 件 ， 直接通过现场总线采集 电机实际输 出转速 ， 不但降 低 了成本 ， 而且线路简单 ， 易于实现 ， 维护维修方便 。 4 S 7 2 0 0 P L C通 过 Mo d b u s 控 制电机 运 行 的程序 4 ． 1 Mo d b u s 通 讯子程 序 流程 图 以 S 7 2 0 0 P L C控制两台 A B B变频器为例， Mo d b u s 通讯 子程 序 流程 图如 图 4所示 。首 先 ， 对 AB B变频 器 初始化 ； 然后读取 A B B变频器运行参数 包括电机速 度 、 输 出频率 、 输 出转 矩 和输 出功 率 ； 最 后 ， 向 AB B变 频器中写入启动 、 停止和速度给定信号 。 速度 给定 图 3基 于 PL C Mo d b u s通 讯 协 议 的 速 度 闭环 控 制 变频器 1 、2 M o d b u s 初始 变频器1 、2 的数据读 取 速度、频率、输 出转 矩、输 出功率 变 频器1 、2 的启动 、 停止、正反转和速度 的给 定 图 4 S 7 2 0 0 P LC和 ABB变 频 器 之 间 Mo d b u s通 讯 程 序 流 程 图 4 ． 2 Mo d b u s通讯 子程 序 图 5为 S T - 2 0 0 P L C 和 AB B变 频 器 之 间 Mo d b u s 通讯子程序， MB US MS G指令 的作用是 向从站写入 或 读 取 数 据 。 网 络 1用 于 1 变 频 器 初 始 化 ， S 7 2 0 0 P L C向 1变频器控 制字 4 0 0 0 1写入 1个字 ， 而 4 0 0 0 1映射到 AB B变频器参数 1 0 0 1 外部 1命令 ， 由 于 1 0 0 1 1 0 ， 表示启 、 停 、 方 向信号来 自总线控制 ； 网 络 2中， 当写入数据完成后 ， M0 ． 1得 电， 并将标 志位 M0 ． 0复位 ； 在 网络 3中， S 7 2 0 0 P L C向 2 变频器控 制字 4 0 0 0 1写入 1 个 字 ， 用 于 2 变频 器 初 始 化 ； 在 网 络 4中 ， 当写人 数 据 完 成 后 ， M0 ． 2得 电 ， 并 将 标 志 位 M0 ． 1 复 位 ； 在 网络 5中 ， S 7 - 2 0 0 P L C读 取 1 变频 器 以控制字 4 0 1 0 2为首字 的连续 5个字地 址， 分别存储 电机输 出转速、 电机运行频率 、 电机运行电流、 电机输 出转矩、 电机输出功率 ， 读取的 电机参数将作 为 P I D 运算 中反馈环节 ， M0 ． 6是最后一条 MB US MS G完 成信号 ， 执行完最后一步将返 回网络 5重复循环； 在 网 络 7中 ， S 7 2 0 0 P L C 向 1 变 频 器控 制 字 4 0 0 0 1写 入 启停和频率给定信号 ， 写入完成并延时 0 ． 1 s 后读取 2 变频器 的控 制 字 ； 在 网络 9中 ， T3 8延 时时 间到 后 ， S 7 2 0 0 P L C读 取 2 变 频 器 以 控 制 字 4 0 1 0 2为 首 字 的连 续 5个字 地 址 ， 分 别 存 储 电机 输 出转 速 、 电 机 运 行 频 率 、 电机 运行 电流 、 电机 输 出转矩 、 电机输 出功 率 ， 读取 的电机参数将 作为 P I D运算 中反馈环节 ； 在 网络 l 1 中 ， T3 9延 时 后 ， S 7 2 0 0 P L C 向 2 变 频 器 控 制 字 4 0 0 0 1写入启停和频率给定信号l_ 9 。 5 结语 本文采用 7 - 2 0 0 P L C和变频器组 成 的 Mo d b u s 网络通讯系统 ， 采集各 电机 的输 出速度等数据 ， 并通过 P L C的 P I D处理后 ， 调整各传动点的速度。该系统 的 优点是无需加装编码器或旋转变压器等检测元件 ， 直 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年 第 6期 接 通 过现场 总线 采集 电机 实 际输 出转 速 ， 不 但 降 低 了 成本 ， 而且 线路 简单 ， 易于 实现 ， 维护 维修方 便 。 向1 号变频器写入初始 n 0 卜 P 1 M O ．0 卜 R 1 1 4 0 0 01 1 旧 0 ] M BU S MS G E N Fi rs t S l av e D on e R W E tt o A d dt C o un t D al a P t r 向2 号变频 写入初始数据 0． 1 M B11 MB U S M S G E N P 卜一 F i r s t 2 S l a ve D on e 1 R W Et t o 4 0 00 1 h dd t 1 ． C o u nt W8 瑚 D al aP t r H； 读取1 号变频器当前运行参数 0 ． 2 M B11 MB U S M S G E N P Fi r s t Sl a v e D o ne 4 0 1 0 2 A R W dd t E tt 。 b‘ C ou n t D al a P t r M o ．2 图 5 S 7 2 0 0 P L C和 AB B变频器之 间 Mo d b u s 通讯子程序 参考文献 [ 6 ] 中国机械 工业联合会． G B ／ T 1 9 5 8 2 ． 2 2 0 0 8基 于 Mo d b 一 [ 1 3 李方 园． 造纸机械 变频多传 动控 制系统 的基 本原理 及应 U S 协议 的工业 自动化 网络规范第 2部分 Mo d b u s 协议在 用 E J ] ． 中国造纸 ， 2 0 0 7 ， 2 6 6 5 3 5 6 ． 串行链 路 上 的实 现 指 南 [ s ] ． 北 京 中 国标 准 出 版 社 ， E 2 ] 王程． 基 于现场总线 的 F MS控制 系统 研究[ D ] ． 合肥 合 2 0 0 8 1 - 4 0 ． 肥工业 大学 ， 2 0 0 9 1 - 1 0 ． [ 7 3 韩兵 ， 于飞． 现场总线控 制系统应用 实例[ M] ． 北京 化学 [ 3 ] 梁爽． 柔性制造系统实验平台的设 计与控制 [ D ] ． 广 州 华 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 南理工 大学 ， 2 0 1 0 7 - 1 5 ． E 8 ] 张燕 宾． 变频 器应 用 教程 [ M] ． 北京 机 械 工业 出版 社 ， E 4 ] 刘 明波 ， 侯孝 民． 网络化数 据采集与处理 系统设计 [ J ] ． 国 2 0 1 1 ． 外 电子 测量技术 ， 2 0 0 8 ， 2 7 9 6 8 7 1 ． [ 9 ] 刘华 波． 西 门子 S 7 2 0 0 P L C编程及应用案例精选 [ M] ． 北 [ 5 ] 中国机 械工业联合会 ． G B ／ T 1 9 5 8 2 ． 1 2 0 0 8基于 Mo d b 一 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． U S 协议 的工业 自动化 网络规范第 1部分 Mo d b u s 应用协 E l 0 ]廖 常初． 可 编程序控 制器 应用技 术[ M] ． 重庆 重 庆大 学 议 E s ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 2 0 0 8 I - 5 6 ． 出版社 ， 2 0 0 7 ． S t u d y 0 n M u l t i mo t o r S e ns o r - l e s s Co n t r o l S y s t e m Ba s e d 0 n PLC M o db u s W ANG J i a n - h u a，XU Ku n - p e n g Sc h o o l o f El e c t r o me c h a ni c a l En g i n e e r i n g，Xu z h o u Co l l e g e o f I n d us t r i a l Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 21 1 4 0，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e mu l t i mo t o r s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m o f v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n ，t h e c o n t r o l s c h e me b a s e d o n PLC M odb us c o mmuni c a t i on pr ot o c o l wa s p ut f or wa r d． The da t a we r e r e a d or wr i t t e n i nt o t h e c o nv e r t e r i n r e a l t i me t hr ou gh t h e Mod bus ，t he s p e e d c l os e d l o op c ont r o l wa s r e a l i z e d，t O e ns u r e t he m u l t i mo t or s ync hr on ous ope r a t i on．Th e e xp e r i m e n t s hows t h e c on t r o l s ys t e m ha s t he a d v a nt a ge s of s i mp l e s t r uc t u r e，e a s y r e al i z a t i on a nd s t a bl e p e r f or ma nc e ． Ke y wo r d smul t i mot o r；PLC M od bus c o mmuni c a t i o n；s e ns o r - l e s s c on t r o l s ys t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m