基于Modbus協(xié)議的觸摸屏-PLC-變頻器通信控制系統(tǒng)
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modbus協(xié)議是應(yīng)用于各種智能電子控制器上的一種通信規(guī)約。它已經(jīng)成為一種主流的工業(yè)標準（中國國家工業(yè)自動化標準gb/z 19582.x-2004）。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器和其他設(shè)備之間可以通信，這為不同廠商生產(chǎn)的遵守modbus協(xié)議的控制設(shè)備組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中控制提供了可能。
傳統(tǒng)的變頻器控制方式主要有兩種：一是通過變頻器的操作面板控制，二是通過變頻器的控制端子控制。第一種方式是通過操作面板設(shè)定運行頻率以及加減速時間等參數(shù)，再通過操作面板上的按鍵實現(xiàn)電機的啟停控制。第二種是預(yù)先在變頻器控制端子的輸入口邏輯組合多種運行頻率或通過模擬量輸入端輸入0～10v或4-20ma的信號改變給定頻率，再通過控制端子啟/停電機。傳統(tǒng)的變頻器參數(shù)監(jiān)測主要是通過指針式儀器儀表進行各項運行參數(shù)的讀取。
在上述的控制方式中，控制系統(tǒng)和變頻器之間信息的交互非常有限，多個參數(shù)的讀取依賴多個指針式儀表使系統(tǒng)的體積龐大，線路連接復雜，模擬量輸入信號又存在易受干擾和傳輸距離短的問題。本文介紹一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的變頻器實時監(jiān)控系統(tǒng)，這既解決了傳統(tǒng)監(jiān)控方式存在的問題，同時也滿足了網(wǎng)絡(luò)化的要求。
2 modbus協(xié)議
2.1 協(xié)議原理
modbus協(xié)議是一個主從協(xié)議。同一時間，只能將一個主站和最多247個從站連接到總線。modbus通信總是由主站發(fā)起，當從站沒有收到來自主站的請求時，不會發(fā)送數(shù)據(jù)。主站同時只能啟動一個modbus事務(wù)處理，從站之間不能相互通信。主站用兩種模式向從站發(fā)出modbus請求：單播模式和廣播模式。單播模式即主站尋址單個從站，從站接收并處理完請求之后，向主站返回一個應(yīng)答。廣播模式即主站可以向所有的從站發(fā)送請求，從站對于主站廣播的請求沒有應(yīng)答返回。廣播請求必須是寫命令，所有設(shè)備必須接收寫命令的廣播。地址0被保留用來識別廣播通信。
標準的modbus協(xié)議使用rs-232c兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。modbus系統(tǒng)也可以使用不同的物理接口，例如，rs-485和rs-232。
2.2 傳輸模式與modbus消息幀
標準的modbus網(wǎng)絡(luò)中，modbus消息數(shù)據(jù)分為兩種傳輸模式：ascii和rtu。兩種傳輸模式中，發(fā)送設(shè)備把modbus消息轉(zhuǎn)換為有起點和終點的數(shù)據(jù)幀，接收設(shè)備在消息的起點開始工作，并且能將通信錯誤能設(shè)置為返回結(jié)果。
ascii消息幀，使用ascii模式，消息以冒號（:）字符（ascii碼3ah）開始，以回車換行符（ascii碼0dh,0ah）結(jié)束。其它代碼可以使用的傳輸字符是十六進制的0...9,a...f。一個典型的ascii消息幀如下所示。
rtu消息幀，使用rtu模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€代碼是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的0...9,a...f。一個典型的ascii消息幀如下所示。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 硬件連接
根據(jù)系統(tǒng)通過通信方式實時控制變頻器動作和實時監(jiān)測變頻器運行參數(shù)的要求，系統(tǒng)采用人機界面+plc+變頻器的組合方式。人機界面采用臺達dop-a系列觸摸屏，核心控制部分為施耐德電氣twido plc（16點及以上），執(zhí)行機構(gòu)為艾默生ev2000通用型變頻器。
在設(shè)備連接方面，twido plc需要2個通信接口。它本身帶有1個rs-485接口(com1)，再擴展一個rs-485接口(com2)即可。twido plc利用com1口和dop-a進行通信，dop-a作modbus主站，twido plc作從站，實現(xiàn)變頻器運行參數(shù)的實時監(jiān)測；利用com2口和ev2000進行通信，twido plc作modbus主站，ev2000作從站，實現(xiàn)對變頻器動作的實時控制，如圖1所示。
dop-a系列觸摸屏自帶1個usb口（用于編程）、2個串行口（com1、com2）。com1為rs-232，com2為rs-232/485。它作為系統(tǒng)的人機界面，監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)并讀取plc采集的變頻器運行參數(shù)并顯示在監(jiān)控界面上，hmi-plc端口接線如圖2所示。
圖2 hmi-plc端口接線圖
ev2000自帶有rs-485接口，用于實現(xiàn)與plc的通信連接。rs-485通信距離遠、配線簡單、抗干擾能力強，對變頻器的所有控制都通過rs-485通信鏈路完成，達到了經(jīng)濟高效的目的。
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