FX3UPLC与施耐德伺服系统的MODBUS通信.pdf

第 1 0期 2 0 1 5年 1 O月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l Aut o ma t i c M a n u f a c t u r i ng Te c h n i qu e No． 1 0 oc t ．2 01 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 1 0 0 1 0 4 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． e n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 9 F X 3 U P L C与施耐德伺服系统的 MO D B U S 通信 凌志辉 ， 伍普照， 李超 株洲时代装备技术有限责任公司， 湖南 株洲4 1 2 0 0 1 摘要 针对 P L C以硬接点控制伺服 系统时需要较 多的输入输 出点、 接线复杂且很难实现 多轴控制的 状况 ， 设计 了一种基于 MO D B U S协议 的 P L C伺服 电机控制 系统。该 系统 中， P L C通过 MO D B U S总线 将控制信息和数据送至伺服控制器的相关通信地址中进而实现对伺服 系统的控制 。实践证明， 该方 法不仅简单方便 、 可靠性 高、 节省 P L C输入输 出点， 还可实现 多轴伺服 电机的控制并可对伺服 系统进 行有效监测 ， 具有推广应 用的价值 。 ． 关键词 F X 3 U P L C； 施耐德伺服 系统 ； MO D B U S通信 中图分类号 T H1 6 6 T G 5 0 6 文献标识码 A M oDBUS Co mmun i c a t i o n be t we e n FX3 UPLC a n d S c hn e i de r o f Se r v o S ys t e m LI NG Zh i - h u i ．W U P u． z h a o．LI Ch a o Z h u z h o u T i m e s E q u i p me n t T e c h n o l o g y e o ． ，L T D， Z h u z h o u H u n a n 4 1 2 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c r o n d i n g t o t h e s i t ua t i O n ma t mo r e I ／ 0 p o i n t s a r e n e e d e d t o c o n t r o l the s e r v o s y s t e m t h r o w h ard po i n t ．A PLC s e r v o c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n M ODBUS p r o t o c o 1 ．i n f o r ma ti o n a n d d a t a c o ul d b e d e l i v e r y b e t we e n PLC a n d s e r v o c o n t r o l s t h r o w M ODBUS b u s ，S O t h e s e r v o c o n t r o l s ys t e m i s r e a 1 ． i z e d．P r a c t i c e h a s p r o v e d t h a t t h i s me tho d i s s i mp l e a nd c o n v e n i e n t ，f u r t h e r mo r e i t h a s a h i g h r e l i a b i l i t y， a n d i t a l s o c a n s a v e P LC I ／ ／ O p o i n t s ．M u l ti a x i s c o n t r o l l i n g a n d mo n i t o r i n g c a n a l s o b e r e a l i z e d．S O t h e c o n tro l s ys t e m h a s d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n v a l u e． Ke y wo r d s 3 UPLC Sc h n e i d e r s e r v o s ys t e m M ODBUS c o mmu n i c a t i o n 0 引言 1 MODB US通信简介 伺服电机因速度快、 定位精度高而被广泛应用于 需要快速精确定位的场合 。P L C作为新一代的工 业控制装置， 具有通用性强、 灵活方便 、 抗干扰能力强、 多个高速脉冲输出口等特点 ， 因而在现代工业控制 中被广泛的用作伺服系统的上位机。 传统上 P L C以高速脉冲控制伺服系统作位置控 制 ， 然而 P L C本体的高速脉冲口数量有限。当系统中 伺服电机的数量超过 P L C本体的高速脉冲口数量时， P L C需要外接脉冲控制器或采用多个 P L C联 网控制 ， 这样将极大的推高系统硬件成本并且接线复杂。为实 现用一台 P L C控制多套伺服系统， 本文设计 了一种基 于 MO D B U S 通信以总线方式控制伺服电机的方法 ， 该 方法充分发挥了 P L C和伺服系统的网络通信能力 ， 不 仅简化了系统配置和控制线路 、 降低了硬件成本， 而且 提高了系统的抗干扰能力 ， 有效提高了系统 的稳定性 和可靠性。 MO D B U S通信协议是 由 Mo d i c o n公司在 1 9 7 9年 开发的一种开放高效 的现场 总线通信协议 ， 是全球 第一个真正用 于工 业现场的总线协议 J 。MO D B U S 通信协议具有标准、 开放 、 帧格式简单 、 通俗易懂 、 抗 干扰能力强等特点， 并且支持传统的 R S - 2 3 2 、 R S - 4 8 5 和以太网等 多种 电气 接 口， 因而被众多工业控制设 备和智能化仪表所采用 [ 5 - 7 ] 。现在 很多厂家生产 的 工控机 、 P L C 、 H MI 、 变频器、 伺服控 制器和智能仪表 都在使用 MO D B U S协议作 为他们 之间的通信标准 ， MO D B U S通信协议 已经成为一项通用的工业标准总 线协议 。 MO D B U S协议 遵从 主／ 从 结构 的原 则 ， 系 统 中 只有一个设备作 为主机 ， 其它设 备都是 作为从 机 ， 每个从机都具有 一个 唯一 的地址 。系统 中 只有 主 机能发 出控制命令 ， 从机 响应 主机命令 执行 相应 动 作 。 收稿 日期 2 0 1 41 2 0 3 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 3 0 2 作者简介 凌志辉 1 9 7 9 一 ， 男 ， 湖南株洲人， 株洲时代装备技术有限责任公司高级工程师 ， 硕士 ， 研究方 向为工业设备 电气控 制系统的开发和 P L C应用， Ema i l l i n g z h i h u i 1 6 8 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 5年 1 0月 凌志辉 ， 等 F X 3 U P L C与施耐德伺服 系统的 MO D B U S通信 1 0 5 2系统硬件设计 2 ． 1 F X 3 U - 4 8 5 A D P - MB通信模块及其通信指令简介 三菱 F X系列 P L C本体不具备 MO D B U S通信 功 能 ， 需要外接 MO D B U S通信模块才能使用 MO D B U S通 信协议与其他设备通信。F X 3 U 一 2 3 2 A D P MB和 F X 3 U - 4 8 5 A D P ． M B是三菱公司新开发的兼容 MO D B U S通信 协议 、 配套 F X 3系列 P L C使用的两款 M O D B U S通信模 块。F X 3 U ． 2 3 2 A D P ． MB通信模块在物 理层面上使 用 R S 2 3 2接 口， 仅 支 持一个 从 站， 最 大通 信 距离 仅 为 1 5 m； F X 3 U - 4 8 5 A D P ． MB通信模块在 物理层 面上使 用 R S 4 8 5接 口， 最大支持 3 2个从站 ， 最大通信距离可达 5 0 0m。 F X 3 U - 4 8 5 A D P MB通信模块通信距离远、 支持从 站数量多， 所以控制系统选用 F X 3 U - 4 8 5 A D P - MB通信 模块。F X 3 U - 4 8 5 A D P ． MB通 信模块 除具有 MO D B U S 通信功能外 ， 还具有无次序通信 、 计算机连接、 并联连 接、 简易 P c间链接和变频器通信功能。为提高抗 干 扰能力 ， F X 3 U - 4 8 5 A D P ． MB通 信模块 内置 了阻值 为 1 1 0 Q和 3 3 0 的终端电阻 ， 用户可以根据实际使用情 况选择是否使用终端电阻及终端电阻值。 F X 3 U - 4 8 5 A D P ． MB通信模块加装于 F X 3系列 P L C 本体的左侧 ， 但一般不能直接安装 ， 需在 P L C本体左 侧安装机能扩充基板转接模组 F X 3 U ． C N V B D 或通 信模 组 F X 3 U - 2 3 2 - B D 、 F X 3 U - 4 2 2 一 B D、 F X 3 U - 4 8 5 一 B D、 F X 3 U - U S B - B D 才能可加装通信模块 ， 否则无法连接。 一 个 P L C可连接两个通信模块 ， 但只能将其 中一个用 于 M O D B U S通信 。 为支持 M O D B U S通信 ， 简便通信程序的编写 ， 三 菱 F X 3系列 P L C新增了一条 1 6位的 MO D B U S通信专 用顺控指令 A D P R W。此指令支持线圈写 读出、 寄 存器写 读出、 异常状态读 出等 M O D B U S标准功能 ， 其格式如图 1所示。式中 s为从站站号 ， s 1为指令功 能代码 ， s 2 、 S 3 、 S 4 ／ D为与功能代码相应 的功能参数 ； 指令功能代码用 1 6进制数表示 ， 如 H 0 1表示线圈读 出， H 0 3表示保持寄存器读 出， H1 0表示批量寄存器写 入。P L C使用本指令的优点是直接访问从站通信地址 对从站设备进行控制， 并省略复杂的 L R C或 C R C运 算从而简化程序编写、 节省程序语句 ， 提高 P L C的响 应 速度 。 指令 输 入 H H J s i s l s z I s s I 图 1通信 指 令 格 式 2 ． 2 电路设 计及 硬件 选 型 控制系统主要 由 P L C和伺服系统构成。P L C是 整个控制系统的核心， 负责控制系统数据计算、 逻辑控 制， 作为系统中的通信主站 ， 通过 M O D B U S通信将相 关控制指令发送至伺服驱动器以完成对伺服系统的控 制， 读取伺服控制器的有关参数以实现对伺服系统的 有效监控 ； 伺 服系统是系统中的从站， 通过 MO D B U S 通信接收 P L C相关指令完成定位动作实现精准位移。 为方便输入伺服电机运行速度 、 位移量等控制参数 ， 同 时将伺服系统的相关状态和信息显示出来 ， 控制系统 配置一个触摸屏或上位机。 P L C选用三菱 F X 3 U系列 P L C， 它是三菱公司 F X 系列 的第 三代 核 心产 品， 其 基 本指 令 运算 时 间为 0 ． 0 6 5 ／ z s ， 内置了 8 0 0 0步 R A M存储器 ， 具备强大的逻 辑控制和数据运算功能 ， 支持 M O D B U S的 A S C I I 和 R T U协议 ； 伺服系统选用施耐德 L e x i u m 2 3 D伺服控制 器配套施耐德 B C H系列伺服电机 ， L e x i u m 2 3 D伺服控 制器具备 MO D B U S通信功能， 可被上位机 以通信的方 式予以控制， B C H伺服电机装配 了2 0位高分辨率的 编码器 ， 额定转速高达 3 0 0 0 r ／ m i n ， 因此该系列伺服电 机可用于高精度、 高速定位场合。L e x i u m 2 3 D系列伺 服控制器的 MO D B U S通信 口在物理层面上使用 R J 4 5 接口， 其针脚的功能及与 F X 3 U - 4 8 5 A D P ． MB通信模块 的连线如图 2所示。 图 2电气 原 理 图 根据系统控制功能与配置设计了如图 2所示的控 制系统电气原理图， 此系统中 P L C最多可同时控制 3 2 套伺服系统。从原理 图中可以看出， P L C与伺服控制 器之间只有一条通信线连接 ， 无需其他 的外部设备和 接点 ， 与传统控制方式相 比， 减少 了 P L C和伺服驱动 器间的大量接线 。这种简单连接不但能完成传统 应用的所有功能 ， 还能进行内部的数据通信 ， 不仅可方 便地从伺服控制器 中获取所伺服电机 的运行速度、 状 态、 实时位置等各种信息， 还可获取伺服电机故障时的 故障代号及原因， P L C将这些信息在触摸屏或上位机 上直接地实时显示出来 。 3 参数设定及流程设计 3 ． 1 参数设定 为确保伺服控制器与 P L C之 间正常通信并使伺 服控制器 满足系统对转速、 定位精度 的控制要求， 在 1 O 6 组合机床与 自动化J j - r 技术 第 1 O期 P L C控制伺服系统之前， 需要对伺服控制器 的相关通 信参数和控制参数进行设定。需要设定的通信参数主 要包括伺服控制器站号、 通信传输率、 通信协议； 控制 参数主要包括电子齿轮分子／ 分母和数字输入／ 输出接 点来源。为达到 P L C与伺服系统之间只需一根通信 总线联接的目的， 设定伺服控制器的数字输入／ 输出接 点来源于数据寄存器。伺服控制器为其数字输A． ／ 输 出点定义了很多功能， 其功能可任意选择 ， 此系统将数 字输入接点 1 、 2 、 3的功能分别定义为伺服使能、 伺服 启动、 伺服停止 。 上述参数除站号必需在伺服控制器本体 中设置 外 ， 其他参数可采用通信方式 由 P L C的程序来传输设 定。但是系统所有硬件确定后 ， 上述参数是 固定不变 的。为节省 P L C程序语句 ， 提高 P L C系统 的响应速 度 ， 上述参数全部在伺服控制器本体设置。 3 ． 2动作流程设计 根据系统所要实现的功能和伺服控制器的应用特 点 ， 伺服系统的基本动作流程如图3所示。 4 P L C系统软件设计 根据程序实现的功能、 应用的指令和伺服系统的 动作流程 ， 可将 P L C程序分为通信端 口初如化、 逻辑 控制、 数据运算和通信程序四部分。 4 ． 1 通信 端 口初 始 化程序 三菱 F X 3 U系列 P L C在进行 MO D B U S通信之前 ， 需要对通信格式和通信协议进行设置。设定的通信格 式包括通信速率、 数据长度 、 奇偶校验、 停止位长度和 协议格式等。图 4为通信端 口初始化程序， 程序 中通 信格式设 定数 据寄存器 D 8 4 0 0设 置为十六 进制数 H 1 0 9 7 二 进制 数 的 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 ， 即采 用 R S ． 4 8 5串口， 数据长度为 8 位 ，1位停止位 ， 偶校验 ， 波特 率为 1 9 2 0 0 b i t ／ s ； 通信协议设定特殊数据寄存器 D 8 4 0 1 设 置 为 十 六 进 制 数H1 二 进 制 数的 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ， 即采用 MO D B U S R T U通信协议。 H 卜 T 工 亘 工 亘 回通 讯 格 式 。L 厂而 ] 百 ] 通讯 协议 程序中进行 MO D B U S 通信参数设定时， 必须使用 MO D B U S通信参数设定标志位 M 8 4 1 1来驱动参数设 定的写入， 如果使用其他触点驱动通信参数的写入， 参 数设置将无效。P L C的通信参数必需与伺服控制器通 信参 数一致 。 4 ． 2 逻辑控制程序 P L C接受来 自外部按钮或上位机、 触摸屏的启动 、 停止等操作信号 ， 经程序逻辑运算得到伺服的使能、 启 动、 停止等信号。使能和停止信号为高电平有效 ， 启动 信号为上升沿有效。为保证启动信号的时序 ， 程序是 将所有参数发送完成之后才发出启动信号。由于伺服 控制器的数字输A． ／ 输出接点来源于数据寄存器 ， 所以 程序先将逻辑信号直接放置于数据寄存器中， 然后再 用通信程序将逻辑控制信号送到伺服控制器的相关通 信地址 中。图5为 P L C控制 1 套伺服系统时的逻辑控 制程序段 ， 当 P L C控制多个伺服系统 时， 根据系统 中 伺服电机的台数参照程序示例添加程序。 M 8 0 0 0 。 x1 ． 报警 D 8 ．o 使能 ]_ L M0 I Q l 动作 执行 完毕 _ { 丑面 M 1 _]} _ _ 面 回 一 腿 1 启动 X1 图 5逻 辑控 制程 序 4 ． 3 数据运算程序 P L C通过本体所带的通信口与触摸屏或上位机等 通信 ， 接收速度、 位移量等数据 ， 结合电子齿轮比、 减速 机速 比、 丝杆螺距等参数计算得 出伺服控制器能直接 使用的数据； 同时 P L C将接收到 的伺服控制器的运动 状态 、 当前位置、 伺服故障代码等数据经过一定 的运算 之后直接送到上位机或触摸屏上显示。 4 ． 4 通 信程 序 P L C使用 MO D B U S 通信专用顺控指令 A D P R W 将 速度 、 位移量等参数和逻辑控制信号直接送人伺服控 制器相关通信地址 中， 以控制伺服 电机按设定速度精 确移动至 目标位置， 同时直接读取伺服控制器相关通 信地址中的数据以实现对其的监控。与采用脉冲串控 制伺服电机时其速度 由脉冲频率决定不同， 采用通信 方 法控制 时 ， 伺 服 电机速 度 由控制 器 中速 度 寄存器 的 数值设定。图6为 P L C与站号为 1 的伺服系统通信的 程序， 当系统中还有其他伺服系统时 ， 可根据示例程序 添加程序 ， 注意修改站号 ， 确保指令中的从站号与伺服 控制器中的从站号一致。 程序可以多次使用 A D P R W 指令 ， 但必须在每两 个 A D P R W 指令之间使用 M 8 0 2 9 指令执行结束标志 驱动辅助继电器对两条指令进行互锁， 以确保 同一时 间只有一个 A D P R W 指 令被 驱 动 ， 并 且 此 驱动 接 点 一 H H H H H H 2 0 1 5年 1 O月 凌志辉 ， 等 F X 3 U P L C与施耐德伺服 系统的 MO D B U S通信 1 0 7 直保持为 O N， 直到指令结束。 图6通信程序 I ／ O 信号 监测 位移量 5 结束语 三菱 P L C通过添加 F X 3 U - 4 8 5 A D P MB通信模块 以 M O D B U S通信的方式控制伺服系统 ， 改变了以往伺 服控制器单纯接受 P L C发 出的开关指令和高速脉 冲 信号的模式， 使伺服系统所有的输入控制信息和数据 均可来 自现场总线。这种方式实现了现场设备的灵活 部署 ， 节省了 P L C大量的 l f O点、 减少 了 P L C和伺服 驱动装置间的大量接线 ， 不仅降低了硬件和人工成本 ， 提高了系统的抗干扰能力和稳定性 ， 还能实现对伺服 控制器实时有效监测 ， 具有应用的价值。 [ 参考文献] [ 1 ]刘陵顺． 自动控制元件 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出 版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]寇宝泉， 程树康．交流伺服电机及其控制 [ M] ． 北京 机 械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]凌志辉．P L C和触摸屏在液压提升机系统中的应用[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 1 1 8 51 8 7 ． [ 4 ] C h e n J i m i n g ， Wa n g Z h i ， S u n Y o u x i a n ． R e a l t i me c a p a b i l i t y a - n a l y s i s f o r s wi t c h i n d u s t r i a l E t h e r n e t t r a f fi c p ri o rit y b a s e d [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g o f t h e 2 0 0 2 I E E E I n d u s t r i a l C o n f e r e n c e o n c e n t r al App l i c a t i on s 2 0 02． [ 5 ]束长宝．基于 M o d b u s R T U协议的剪板机变频控制[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 2 ， 1 2 1 1 8 1 2 0 ． [ 6 ] 王泽波， 王喜顺．Mo d b u s R T U在变频驱动液压控制 中的 应用 [ J ] ．组 合机 床与 自动 化加 工技术 ， 2 0 0 8 5 3 73 9 ． [ 7 ]莫仕勋 ， 王辑祥， 吴杰康， 等．组合通信模式下发电机监 控系统的设计 与实践 [ J ] ． 电力 自动化设 备， 2 0 1 0 ， 3 0 1 1 1 2 21 2 6 ． [ 8 ]凌志辉 ， 邹吴， 黄涛， 等．二轴缠绕机 P L C控制系统的设 计[ J ] ．自动化仪表 ， 2 0 1 4， 3 5 5 3 0 3 3 ． [ 9 ]廖常初．s 7 - 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s e n o r e qu i pme n t h e a l t h d i a g no s i s a nd p r o g n o s i s[ J] ． E u r o p e a n J o u rna l O p e r a t i o n al R e s e a r c h ， 2 00 68 5887 8． [ 1 1 ]P u r u s h o t h a m V，N a r a y a n a n S ， P r a s a d S ．Mu l t i - f a u l t d i a g n o s i s o f r o l l i n g b e a tin g e l e me n t s u s i n g wa v e l e t a n a l y s i s a n d h i d d e n M ark o v mo d e l b a s e d f a u l t r e c o g n i t i o n [ J ] ．N D T E I n t e r n a t i o n al， 2 0 0 5 ， 3 8 8 6 5 4 6 6 4 ． 编辑赵蓉