摘要：本文介绍了通过三菱PLC作为主站与多台艾默生公司的TD3000矢量变频器用RS485串行通讯构成的高精度变频器调速控制、监控系统。详细叙述了系统的硬件构成,PLC与变频器之间的通讯原理和通讯协议,阐明了该网络控制调速系统与一般模拟量控制调速系统相比的优越性，给出了系统框图及以及PLC系统的软件实现方法。
关键词：PLC变频调速器多电机控制RS485网络通讯协议实时监控
一、引言　　近年来，交流调速的发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相抗衡的时代。目前，变频器调速控制系统已广泛应用于机械、冶金、化工等各个行业。作为变频调速系统中的控制核心部分的变频器,最初是以单台形式工作的,可以通过变频器的控制面板或端子进行运行参数的设置,启动或停止变频器运行,读取各种变频器运行数据等等。而现在各种大中型自动化生产线则要求由多台变频器组成的同步控制系统、比例控制系统等复杂的控制,并且要相互协调,形成连续生产线的调速控制系统。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。　　　　图1　是传统的比例控制的基本结构　　工作时操作人员通过控制PLC设定运行参数，然后通过D/A转换模块发出(0~10VDC或4~20mA)信号控制变频器的速度指令，使各个变频器驱动电机按给定的速度运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模自动化生产线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和容易受外界的干扰，使整个系统的稳定性和可靠性降低，同时大量D/A转换模块使系统成本增加等问题。由于大多数变频都有RS485通信接口，用于系统配置和监控。作为低成本的连接方案，采用基于RS485通信接口对变频器进行控制，无疑是具有吸引力的选择。为此我们采用了PLC与变频器构成RS485多分支通讯控制网络。该系统特点是成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制系统。　　本文是结合我公司在钢绳生产线上采用PLC通过RS485接口使用变频器专用通讯协议对两台艾默生公司的TD3000矢量变频器进行控制，极大地减少了线路连接的复杂性。实现多机分布传动机制的PLC集中监测和控制新系统，着重介绍了艾默生公司的TD3000系列变频器实时在线通讯技术的实现。　　二、工艺要求和系统工作原理　　钢绳生产线上涂塑机控制系统主要由两台电机拖动：主电机15KW，跟随电机1.5KW，要求跟随电机按工艺的要求可以精确的按比例跟随主电机运行。启动停止要求同步才能保证符合正常的生产要求。系统结构如下图所示。　　　　图2　涂塑机系统硬件结构　　成品钢绳经过跟随电机驱动的涂塑机构，在高温下涂上一层塑料，经过降温冷却后，由主电机牵引收卷成品。其机械结构虽然简单。但电气控制要求高，跟随电机要非常精确的跟随主电机运行才能保证成品合格。　　三、电气传动系统构成　　我们根据该设备工艺的技术要求采用了全新的传动控制系统，整个控制系统主要由以下几部分组成。利用变频器自带的RS485接口，与三菱PLC的FX2N-485BD模块进行通讯控制变频器。再通过触摸屏来监控和操作，可以直观的显示各种参数及故障。便于操作与维修，而且系统的抗干扰能力强，传输距离远，可靠性强，配线简单整洁。系统结构如图3所示，　　　　图3钢绳涂塑机控制系统结构图　　电气系统硬件结构如图3所示，主要由下列组件构成；　　1）触摸屏（HMI）为整个系统的操作设置显示单元。在HMI上可以通过不同画面将PLC内部数据、输入(I)输出(O)状态、各个动作过程，以及全机故障查询、工艺参数等一一显示出来，实时监控全机的工作状态，除了显示功能外，还可以根据现场的情况，通过HMI设置和修改PLC内部的一些需要用户设定的参数。人机界面上直接观察到变频器的工作状态，对变频器进行监控。　　　　2）FX2N—32MR为PLC基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。　　3）FX2N—485BD为FX2N系统PLC的通讯适配器，该模块的主要作用是PLC通讯系统中作为主站发给变频器信息，我们在分析其结构的基础上，将其作为RS485通讯主站使用，完成变频调速器各种控制信号的发送，参数监控及故障报警等。　　4）TD3000矢量变频器自带RS485接口的通讯单元，符合RS—485通讯规范，用于实现PLC与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口，在工业现场，RS485是应用较多的一种通信。　　5）TD3000矢量变频器（带编码器PG闭环反馈）有效防止因负载的变化而引起的电机转速的变化，由于两台电机变频调速都采用编码器PG闭环反馈。因此该系统特性较强，随负载变化小，外界干扰对系统速度基本没有影响。保证跟随频率的精度。　　四、TD3000矢量变频器比例跟踪系统工作原理　　牵引电机和跟随电机均采用矢量闭环变频无级调速，旋转模跟随电机根据工艺要求按一定的比例（设置计算公式）精确同步跟随牵引电机速度。牵引电机的速度由操作员根据需要在HMI上设置，也可以在HMI上微调牵引的速度，同时输入“牵引比”，“机械传动的速比”，“钢绳的直径”等参数，由HMI传送到PLC后，经过计算，采用通讯的方式启动牵引电机和跟随电机按计算的速度运行。如下图　　　　图5比例跟踪系统工作原理　　五、TD3000矢量变频器与PLC的通讯原理及协议　　变频器与PLC的通讯通信是双向进行的，因此收发双方同时都具备收发设备。但双方可共用一个传输媒介，也可各自拥有单独的传输媒介。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，直至构成复杂的通信网络。而这个简单的系统也基本上包含通信方面的一些基本技术：　　编码技术、传输技术。本系统TD3000矢量变频器通用变频器接入RS485总线采用“单主多从”PLC控制网。如下图　　　　图6单主机多从机PLC控制网　　TD3000矢量变频器采用两线制的RS485接口协议作为现场监控和调试协议。它以主从方式构成工业监控网站，在网络内有一个主站，1－31个从站，各站点由唯一的标识码识别。这样上位机便能通过RS485通信线，对挂在上面的变频器进行控制操作。TD3000矢量变频器采用主机“轮询”，从机“应答”方式。其通信方式为RS-485，波特率最高可达125Kbps；数据格式为：1位起始位，8位数据位，1位奇偶效验位，1位停止位。变频器接收控制的通信协议如下：　　　　起始字节：02H　　从机地址：范围2~126　　功能码操作命令/响应字：范围0~15，功能码组号 功能码号功能码组号范围0~16（BIT8~BIT11），功能码的范围0~99（BIT0~BIT7），遵循先发高字节，再发低字节的原则。　　功能码设定/实际值：变频器参数设置，修改范围见参数表。　　控制字/状态字：控制变频器的启动/停止，反映变频器的运行状态，故障报警等。　　主设定值/运行数据实际值：运行数据设定值由用户根据控制要求来设定，通过设定功能码的形式来实现。内容包括：运行设定频率、设定转速、设定线速度、闭环设定等等。运行数据实际值是由设定值来决定。例如：实际运行频率、实际转速等等。当状态字反映出运行故障时，实际值将为故障代号。　　帧校验：帧校验方式为异或校验法，计算方法为本帧数据字节的连续异或结果。　　将变频器的通信数据格式，波特率，以及通信地址设置好，例如以50Hz运行2#变频器。需要将变频器频率设定成F0.03=6起始字节从机地址命令字功能码号设定高位设定低位控制高位控制低位主设定高位主设定低位校验码020200000000047F1388E2　　由通讯可以控制变频器的起/停、故障检测、故障复位、速度和转向控制，由PLC通过RS485接口完成。　　六、控制系统中变频器与PLC通讯控制软件设计　　由于系统生产工艺并不复杂，所以如何实现PLC与变频器之间的通信是整个设计的重点、难点。要实现对变频器的通讯控制，要求PLC进行通讯编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。要求注意以下几点：　　1）通信程序由通信口初始化、运行、停止、速度设定等部分组成，主机握手等待时间，从机最长响应时间8ms，超时则判定为通信失败,轮询RS485网络内的每一个从站，主站必需定期轮询，包括无应答时，应呼叫三次，保证能及时发现从站的通信故障。从站在一定时间间隔后若未接收到任何报文则认为发生断线故障，随后进入故障安全状态。　　2）PLC程序应完成FX2N—485BD通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。在该系统1:2多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。具体参数如下：功能码名称设定范围设定值(15KW)设定值(1.5KW)备注F0.02控制方式0~211闭环方式F0.03频率设定方式0~966通讯设定F0.05运行方式选择0~222通讯控制F2.01起动频率0~10Hz00出厂为1F3.00ASR比例增益0~63.96PF3.01ASR积分时间0~32s0.80.7IF9.00波特率选择0~6339600BPSF9.01数据格式0~200N,8,1F9.02本机地址2~12623必须设定F9.12通讯响应时间0~20ms1414非标Fd.04线速度系数0.1~999.999.20.1显示用　　以上参数是修改的实际值，其余参数调整是按厂家出厂值设定，注意采用闭环编码器时，编码器的分辨率和转向。　　3）工作过程中，FX2N—485BD发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。见下图：　　　　图7发送信息交换过程　　4）由于FX2N通讯的收发状态切换较慢，取决于PLC的扫描周期，这个时间估计为3ms左右，因此在与TD3000通讯时，接收不到变频器的应答数据（变频器返回数据约1ms），因此我们考虑变频器软件做非标，调整返回信息时间。(建议可以采用西门子PLC，TD3000矢量变频器不用做非标产品)　　5）正常工作时变频器与PLC通讯控制软件设计的程序流程图如下：　　　　七、人机界面触摸屏的设计　　在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，运行监控、参数修改、速度输入，故障显示，机器速度和密码保护等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。监控画面如图所示：　　　　图8　触摸屏监控画面　　　　图9　触摸屏操作画面　　八、实际应用效果　　通过用户将近一年半的长时间使用证明，TD3000矢量变频器加编码器闭环组成的比例随动自动控制系统，在钢绳生产线上采用RS485网络控制是一种十分理想的控制方式，它有许多值得借鉴的优点：　　1）采用通讯控制变频器，具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点。以此方式，可以实现全车间的现场总线网络控制。　　2）两台电机比例同步跟随精度高，尤其是采用编码器闭环以后，转速精度可以控制在±1转/分左右，完全满足工艺控制的要求，质量明显提高。　　3）系统的动态响应快，对于负载的急变，主牵引速度的快速变化都能很快跟随调整好。　　4）调速范围广，闭环可达1000：1，我们采用了变频电机，在低速情况下完全可以长期运行，在高速下，只要挤出机能满足要求，主机牵引可达60Hz以上，极大的满足了产量的要求。　　5）操作简单，速度比调整需要在触摸屏上设置绳径、螺距，系统根据公式自动计算牵引速度比，按下启动就可以了。　　总之将此技术运用到涂塑机的速度比例控制上，收到很好的效果，产品质量有了显著提高，调速方便，减少机器机械的冲击和磨损，改变电机温升，延长电机寿命，故障很少且易于排除，得到用户的欢迎。　　参考文献　　1）艾默生TD3000变频器说明书。　　2）艾默生TD3000变频器串行通信协议。　　3）三菱FX2N编程使用手册。　　4）三菱FX2N-485BD使用说明书。