基于MODBUS总线的变频驱动液压系统设计.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS Fe b ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 2 7 基于 M O D B U S总线 的变频驱动液压 系统设计 田志勇 ，戴一平 浙江机电职业技术学院，浙江杭州 3 1 0 0 5 3 摘要对 MO D B U S总线在变频驱动液压系统中的应用进行了探讨。采用 Mo d b u s R T U通信协议，实现了C P 1 H和 4台 变频器之间的串行通信，通过变频器改变电机的转速从而改变液压定量泵的流量。结果表明，该方法实时性好，现场布线 简单 ，提高了系统的抗干扰能力。 关键词 MO D B U S总线；变频器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 7 9 3 De s i g n o f Va r i a bl e Fr e q u e nc y Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Ba e s d o n M ODBUS Fi e l d b u s TI AN Z hi y o n g， DAI Yi p i n g Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c al E n g i n e r i n g ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 5 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n o f Mo d b u s F i e l d b u s i n v a r i a b l e e q u e n c y h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ．T h e s e r i a l c o i n mu - n i c a t i o n b e t we e n C P 1 H a n d 4 e q u e n c y c o n v e r t e r s wa s a c h i e v e d b a s e d o n t h e Mo d b u s R r U p r o t o c o l a n d t h e c h an g e o f t h e fl u x o f fi x e d d i s p l a c e me n t h y d r a u l i c p u mp w a s a c h i e v e d b y c h ang i n g t h e mo t o r s s p e e d ．Th e e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w tha t t h i s c o n tro l me t h o d r e d u c e s t h e c o mp l e x i t y o f t h e c i r c u i t c o n j u n c t i o n and i m p r o v e s t h e p e r f o r ma n c e o f d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n ． Ke y wo r d s MOD BU S F r e q u e n c y i n v e r t e r 变频液压驱动技术作为一种新型的传动方式 ， 具有效率高、可靠性高和调速范围广等特点，在液 压电梯 、液压转 向系统 、注塑机 中应用广泛 。 目前 常 用 的结构形式有 以下两种 1 变频器 电动机 定量液压泵 ； 2 伺服电机 定 量液压 泵。 变频液压驱动系统结构 简单、易 于实现集成 。为 了减少系统布线 、提高抗 干扰能力 和集 成度 ，选择第 一 种控制方案，在阐述 M O D B U S通信协议的基础上， 构建了基于 M O D B U S总线的变频液压驱动系统，充分 发挥了变频器和 P L C的网络通信功能，降低了硬件成 本 ，并有效提高了系统的稳定性和可靠性。 1 变频液压驱动系统简介 图 1 控制系统构成 系统采用 “ P L C变频器 电动机 定量液压 泵”的控制方案，P L C选用欧姆龙公 司的 C P 1 H X A 型 P L C ，变频器选用欧姆龙公司的 3 G 3 M V系列变频 器 ，P L C和 变频 器通 过 R S 4 8 5总 线使 用 M O D B U S协 议进行通信 ，从而实现 4台油泵电机转速的平滑调 节 ，驱动定量液压泵 运行 ，同时通过 N S 1 0触 摸屏完 成对系统的起动、停止以及参数设定、显示等控制。 系统构成如 图 1 所示 。 2 MO D B U S总线的技术特征 M O D B U S 通信协议是一种工业现场总线通信协 议 ，是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结 构 ，独立 于物 理 层介 质 ，可 以承载 于 多种 网络类 型 中。MO D B U S协 议 把 通信 参 与 者 规定 为“ 主 站” Ma s t e r 和 “ 从站” S l a v e ，数据和信息的通信遵 从主／ 从模式 ，当它应用于标准 MO D B U S网络时，信 息被直接传送。MO D B U S总线 网络中的各个智能设 备通过异步串行总线连接起来，只有一个控制器作 为主站，其余终端均作为从站。采用命令／ 应答 的通 信方式 ，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或 状态信息。网络中的每个从站都分配给一个唯一 的 地址 ，只有符合地址要求的从站才会响应主站发 出 的命令 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 2 作者简介田志勇 1 9 7 6 一 ，男，硕士、工程师、讲师，主要从事机 电检测与控制的教学与科研工作。电话0 5 7 1 8 7 7 72 6 23， E ma i l t z y 66 98 s i na ． c o m。 8 O 机床与液压 第 3 8卷 2 ． 1 MO DBU S通信格 式 M O D B U S 协议定义 了两种传输模式 ，即 R T U和 A S C I I 。在 R T U模式中，I字节的信息作为一个 8位 字符被发送，而在 A S C I I 模式中则作为两个 A S C I I 字 符被发送 ，发送同样的数据时，R T U模式的效率大 约为 A S C I I 模式的2倍。一般来说，数据量少而且主 要是文本时采用 A S C I I ，通信数据量大而且是二进制 数值时，多采用 R T U模式。 主站一次 可向一个或所有从 站发送通信请 求 或指令 ，主站通过消息帧的地址来选通从站。主 站发送的消息帧的内容和顺序为从站地址、功能 码、数据 数据起始 地址、数据量、数据 内容 、 C R C校验码；从站应答 的信息 内容和顺序与主站信 息帧基本相同。MO D B U S除了定义通信功能码之外， 同时还定义了出错码，标志出错信息。主站接收到 错误码后 ，根 据错 误 的原 因采 取 相应 的措 施 。从 站 应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代 码 0 3 要求读取从站设备中寄存器的内容。 2 ． 2 C R C校 验 的 实现 MO D B U S 通信的 R T U模式 中，规定信息帧的最 后两个字节用于传递 C R C C y c l i c R e d u n d a n c y C h e c k ， 循环冗余校验 码。发送方将信息帧中地址、功能 码 、数据的所 有 字节按 规 定 的方式 进行 位移 并 进行 X O R 异 或计 算 ，即可 得到 2字节 的 C R C码 ，并 把包含 C R C校验码的信息帧作为一连续的数据流进 行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进 行计算，并将结果 同收到的 C R C码 的双字节 比较 ， 如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从 站将发送 C R C错误 应答 。 2 ． 3 链路特征 M O D B U S标准的物理 层可 以采 用 R S - 2 3 2串行 通 信方 式，但在 长距 离 通信 中一般 采用 R S 一 4 2 2或 R S ． 4 8 5 通信方式。在多点通信情况下采用 R S 一 4 8 5方 式 ，R T U模 式 下 的 MO D B U S系统 采 用 屏蔽 双 绞 线 ， 通信距离可达 1 0 0 0 i n 。一条总线上最多可配置3 1 个 从站设备。信息交换采用半双工模式，即同时只能 有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令 之前等待从站回应，从而避免了线路的冲突。 R T U模式的传输格式是 1个数据位，2个停止 位，没有奇偶校验位。通信数据安全由 C R C 一 1 6校验 码保证。R T U接收设备依靠接收字符间经过的时间 判断一帧的开始，如果经过 3 个半的字符时间后仍然 没有新的字符或者没有完成 帧，接收设备就会放弃 该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。 在采 用 MO D B U S总线构建 的控制 系统 中 ，主站 和从 站 中 的控 制设 备 上都 要 实 现 MO D B U S通 信 协议 。 3 基于 MO D B U S的变频调速控制 系统设计 3 ． 1 系统 构成 如图1 所示 ，系统硬件由可编程序控制器 C P 1 H、 4台 3 G 3 MV变频器 、4台电动机和触 摸屏组成 ，P L C 与变频器之间通过 R S ． 4 8 5串行总线进行通信。各部 分说 明如下 1 P L C 。选用欧姆龙公司的 C P I H X A型 P L C 作为控制器。C P 1 H X A是欧姆龙公 司推出的功能强 大的一体化小型 P L C，该机型扩展能力强，集成 4轴 高速脉冲输出，内置4人 2出的模拟量，2个可选的 R S 4 2 2 ／ 4 8 5和 R S 2 3 2接 口。 C P 1 H的串口内置了M O D B U S ． R T U主站功能 ，该 功能 只 需 要 在 规 定 的 D M 数 据 区写 入 需 要 发 送 的 M O D B U S 命令 ，触发发送标志 ，C P 1 H就可以自动发 送添加了 C R C校验码的 MO D B U S命令 ，C P 1 H将 自 动接收变频器的响应，存储到特定的 D M数据区。使 用这种方法不仅可以和变频器通信 ，而且可以和任 何支持 M O D B U S - R T U协议的设备通信。 2 变频器。选用欧姆龙公司的3 G 3 M V系列变 频 器。3 G 3 M V系列 变 频 器 ，除 了 电压 、电流 、多段 速控制和旋钮控制外 ，还支持点对点的 M O D B U S协 议通信 ，其硬件接 口采用 R S 4 2 2 ／ 4 8 5串行方式；软件 接 口协 议 采 用 M o d b u s R T U模 式 ，消 息 帧 中的 每 个 8 B i t 字节包含两个 4 B i t 的十六进制数字字符。 3 触 摸屏 。选 用欧 姆龙公 司 的 N S 1 0触摸 屏 ， 完成系统起 动、停止 、参数设定 以及显示等 。 3 ． 2系统 功 能特 点 图 1中的 C P 1 H有 2个通信口，一个配备 R S 2 3 2 选件板与 N S I O进行通信，另一个通过 R S 4 8 5选件板 C P 1 W． C I F 1 1 扩展 R S 4 8 5接 口。C P 1 H作为主控制器， 它通过 R S 4 8 5总线与 4台3 G 3 MV变频器组成一个通 信控制网络。C P 1 H向从站变频器发送参数设置、启 停 、数据查询等指令 ，而变频器则 根据指令要求控制 电机运行 ，并返回信息。 该系统不仅可 以同时实现对 4台油泵 电机 的远程 控制 ，而且还可以通过 C P 1 H与 N S 1 0的通信，完成 整个液压驱动 系统 的操作和监控 。 该系统具有以下优点 1 C P 1 H直接利用 MO D B U S协议对变频器读 写，无需使用其它附件进行组态 ，简化了硬件，并可 实时获取各变频器的工作状态 ，包括运行状态、运行 参数、故障报警等。 2 采用 R S 4 8 5通信，C P 1 H与变频器之间的连 接只有两根通信 线 ，既延长 了系统 的控制距离 ，又降 低了线路连接的复杂性 ，提高了系统可靠性。 3 采集电机的运 行参数并显示在触摸屏上， 不需要各种现场智能仪表，降低 了线路连接的复杂 第4期 田志勇 等基于 MO D B U S总线的变频驱动液压系统设计 8 l 性，提高了系统可靠性。 3 ． 3 P L C 中的通信 设 置 图 2 MO D B U S - R T U主站通信设置 在 C X P软件中对 C P 1 H的串口2进行设定，如图 2所示，将串口2的通信模式设为串口网关。 3 ． 4 C P 1 W C I F 1 1开 关设定 R S 4 8 5选件 板 C P 1 W- C I F 1 1的 D I P开 关 设 置 为 1 O N 终端 电阻 ；2 、3O N R S 4 8 5方式 ；4 O F F ；5O N 接收有 R S控制 ；6O N 发送有 R S控制 。 3 ． 5 硬 件接 线 MO D B U S R T U通信接线如图 3所示。将 3 G 3 MV 变频器 的 s和 R，s一和 R一短接 ，然后同 C P 1 W． C I F 1 1 选件板的 R 和 R一 对接。 ． 图3 MO D B U S R T U通信接线 3 ． 6 变频器参数设置 为了实现 M O D B U S总线 控制 ，需要 预 先设 置 变 频器的操作参数 ，3 G 3 M V变频 器参数设 置如表 1 所示 。 表 1 变频器参数设置 变频器 3 G 3 MV 一 4的 S W2终端电阻拨到 O N 。 3 ． 7数 据 的发 送 与接 收 设置好变频器参数之后 ，C P 1 H可以通过 R S 4 8 5 总线发送通信指令 ，控制变频器运行。编程对指定 地址的变频器进行操作。信息帧 中包括数据的字节 数、起始地址等。3 G 3 MV变频器只使用 3个功能码 o 3 H、O 8 H、1 0 H，分别实现数据读出、回路反馈测 试和数据写入的功能。 对于串口2 ，发送数据从 D 3 2 3 0 0通道开始 ，接 收数据从 D 3 2 3 5 0开始。当 A 6 4 0 ． 0 0 串口2发送使 能位设置为 O N后 ，把 D 3 2 3 0 0开始的数据发送出 去 ，D 3 2 3 5 0开始接收到反馈的数据。数据写入的格 式是 变频器地址 1 0发送字节数 起始通道 写 通道数 写字节数 占一个字节 发送的数据。 4结语 实践表明，基于 M O D B U S总线的变频驱动液压 系统 ，结构简单、操作方便 ，减少了控制系统的布 线数量，提高了系统集成度和可靠性 ，大大改善了设 备的操作性能。因此，直接利用 MO D B U S协议对其 组 网监 控 ，是 机械设备控制系统获得低成本 、高性能 的好途 径。 参考文献 【 1 】 戴一平 ， 张耀， 赵光宙． 基于 M O D B U S变频器组网技术 [ J ] ． 电气应用， 2 0 0 8 ， 2 7 1 7 ． 【 2 】王泽波， 王喜顺． M O D B U S R T u在变频驱动液压控制中 的应用[ J ] ． 组合机床与自动化技术 ， 2 0 0 8 5 ． 【 3 】梁伟． 采用 C 5 1 编写智能设备的 M o d b u s 协议通讯软件 [ J ] ． 化工 自动化及仪表， 2 0 0 4 ， 3 1 1 ． 【 4 】 王有庆， 田涌涛， 李从心． M o d b u s R T U模式下工控机与 变频器的通讯[ J ] ． 机床与液压， 2 O 0 2 6 ． 【 5 】 欧姆龙公司， C P 1 H C P U U n i t P r o g r a m m i n g M a n u a 1 ． 2 0 0 6 ． 【 6 】欧姆龙公司， 3 G 3 M V操作手册 2 0 0 4 ．