使用通信协议宏实现PLC对变频器的监控

1 引言
       在啤酒的酿造过程中，糖化醪与糊化醪的制取是非常重要工序，直接关系到啤酒的质量与产量。某啤酒厂的糖化与糊化设备是20世纪80年代的产品，自动化水平较低，麦芽粉碎机与大米粉碎机的粉碎辊电动机，糖化锅与糊化锅的搅拌器电动机都没有调速功能。为了满足生产工艺的要求进行技术改造，各个电动机都使用变频器调速。控制器选用OMRON的PLC，PLC与变频器分别安装在两个相距较远的控制室内。PLC使用通信协议宏功能与多台变频器通信，控制它们的运行。
   2 系统组成
       系统组成如图1所示，上位计算机运行组态软件，与OMRON的C200HE-CPU42型PLC通信，实时监控系统的运行。PLC的CPU单元安装C200HW-COM06-V1通信板，支持通信协议宏功能。6台不同功率的OMRON 3G3MV通用变频器，分别驱动麦芽粉碎辊、大米粉碎辊、两台醪液输送泵、糖化锅和糊化锅搅拌器电动机。3G3MV变频器支持MODBUS通信协议，可与PLC进行RS-422A/485串行通信。PLC为主站，变频器为从站，PLC与变频器之间采用RS-485总线连接。
   
   3  MODBUS通信协议
       MODBUS是应用于控制设备的一种通用串行通信协议，规定了一个控制设备能够识别的信息结构。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
       MODBUS通信使用主从技术，即主设备首先发出命令，从设备根据主设备提供的命令做出响应。从站不能主动发送数据，只有主站发出命令时，从站才能给出响应。主站可以向某一个从站发出命令，也可以向所有从站广播信息。从站只响应单独发给它的命令信息，而不响应广播信息。协议规定每个从站都需要设置其设备地址，识别主站发来的信息。3G3MV变频器的MODBUS协议的信息帧结构如下所示。
   （1）从站地址。变频器地址00～31，如果设定为00，则为广播发送，变频器不给响应。
（2）命令代码。命令代码有3种：
   
       03H─读取；
     08H─回路反馈测试；
     10H─写入；
（3）数据。由寄存器编号（回路反馈测试时为测试编号）与其数据组合构成的一串数据。
（4）校验码。CRC16循环冗余校验。
       PLC以通信方式读取3G3MV的状态数据或控制其运行，实际上是读取或修改3G3MV中对应寄存器的数据。
   4  创建通信协议宏
       糖化醪与糊化醪的制取工序较为复杂，各个变频器按照规定的频率曲线工作，而且变频器的动作在顺序上有一定要求。限于篇幅，本文不讨论复杂的控制策略，仅讨论PLC与变频器之间的协议宏通信。
       下面以向6台变频器发送运行指令、查询状态参数为例，介绍通信协议宏的创建过程。
       在协议宏软件CX-Protocol软件上创建工程，选择正确的设备名称、设备型号及网络类型。然后创建通信序列和接收阵列，并下载到PLC的通信板中。在PLC中编写程序，用PMCR指令调用指定的通信序列[5]，实现与变频器的通信。
   4.1  创建通信序列
       将通信序列号设为“000”，在通信序列中要设置PLC与通信板链接字、传输控制参数、响应接收方式、数据接收监控时间、数据接收完成监控时间、数据发送完成监控时间等内容。
   （1）  创建通信步
       在通信序列“000”中创建2个通信步：STEP00和STEP01。STEP00用于控制变频器运行，STEP01用于查询运行状态，如图2所示。在每一个通信步中包括步号（Step）、重复计数器（Repeat）、命令（Command）、重试次数（Retry）、发送信息（Send Message）、接收信息（Recv Message）、是否响应（Response）、出错处理方式（Erorr）等内容。
       其中，重复计数器设定为“RSET/R（1）”。“RSET”表示在开始执行通信步时，重复计数器变量N清零。通信步执行一次，N自动加1。“R（1）”设定通信步执行次数，其数值存放在PMCR指令的第二操作数（S）指定的数据区“S+1”中，本例的具体数值为“0006”，即每个通信步执行6次，在通信步的重复执行过程中，变量N对应地从0递加到5。图2示出通信步设置。
   
图2  通信步设置
   
   
   （2） 创建发送和接收信息
       发送信息与接收信息必须严格按照MODBUS协议格式编写，如图3、图4所示。需要设置校验码（Check Code）、数据长度（Length）、地址（Address）、数据（Data）等信息。
       校验码为CRC16校验，占用两个字节，65535为校验算法初始值。
       系统中使用的变频器较多，这里不用常量作为从站地址，而用重复计数器变量N指定从站地址，来完成数据的发送和接收工作。地址“～（R（3N+2）,1）”在通信步的6次重复执行过程中，分别从PMCR指令的第二个操作数指定的“S+2”、“S+5”、“S+8”、“S+11”、“S+14”和“S+17”存储单元中读取低字节的数据，作为变频器的地址。
       在发送信息的数据设置中，[1000010002]表示向变频器的“0001”和“0002”两个寄存器写入数据。其中，[10]为MODBUS写入指令，[0001]为变频器寄存器开始编号，[0002]为寄存器的个数。 “0001” 寄存器保存变频器运行操作信号，指定变频器运行或停止、正转或反转；“0002” 寄存器保存变频器频率值，指定运行频率。只要改变以上两个寄存器的值，就可以改变变频器的运行状态和运行频率。每一个变频器的具体写入值由（R（3N+3）,4）指定。[03002C0001] 表示读取变频器“002C” 寄存器的值，即读取状态参数。
       在接收信息的数据设置中，“RUN RIGHT”为向变频器发送运行指令的正确响应信息；“READ RIGHT”为向变频器发送查询指令的正确响应信息，使用“（W（N+1）,2）”将查询指令的响应数据（2个字节），即变频器的状态参数，写入PMCR指令第三操作数指定的PLC存储单元；“ERROR”为错误响应信息，使用“（W（N+1）,2）”将错误代码写入PMCR指令第三操作数指定的PLC存储单元。
   4.2  创建接收阵列
       PLC向变频器发送指令时，变频器可能返回正确或错误的响应信息，在接收数据时，应使用阵列的形式加以区分。创建了3种可能的接收信息“RUN RIGHT”、“READ RIGHT”和“ERROR”，并针对每一种接收情况设定了不同的处理方法（Next Process） ，用于可能出现的各种响应信息的处理，如图5所示。
       如果00通信步执行正常，接收到“RUN RIGHT”信息，则转到01通信步。在执行01通信步时，如果接收到“READ RIGHT”信息，则通信协议宏执行完毕。无论执行哪一个通信步，如果接收到“ERROR”信息，则通信错误，终止协议宏的执行。对于其他不可预见的情况（OTHER），如通信超时接收不到响应信息时，终止协议宏的执行。
   5   通信实现
   5.1   通信设置
   （1） 变频器设置
       使用RS-485方式通信时，将终端变频器的外部设定开关SW2设置为ON，接入120Ω的终端电阻。将S+与R+，S-与R-连接。
       每台变频器使用前要设定与通信相关的参数，将运行控制方式、频率控制方式均设定为“通信”，频率单位设为0.1Hz，还要设定从站地址，通信参数设为1位启动位，8位数据位，1位停止位，偶校验，9600bps波特率。
   （2） 通信板设置
       对通信板上的开关作调整，将SW1置于2侧，使用RS-485方式；SW2设定为ON，接入120Ω的终端电阻。
       设定通信板端口A为通信协议宏方式。PLC的通信参数设定必须与变频器的参数一致。
   5.2  编写通信程序
       通信协议宏的调用程序段如图6所示。其中，28908为通信板端口A操作标志。28908为OFF，表示可以使用端口A进行通信。通信过程中28908置ON，通信结束后，28908置为OFF状态。当23201由OFF变为ON、且28908为OFF时，调用通信板上的通信序列，通过端口A发送和接收数据。
   
   
       通信序列号、发送和接收数据的存放区由PMCR指令的三个操作数指定。
       PMCR指令的第一个操作数“#1000”为控制字，第一位的“1”表示使用通信板的端口A；后3位“000”表示通信序列号。
       DM0000为PMCR第二操作数（S），设置发送信息的有效通道数为“0020”，即设定了DM0000～DM0019共20个有效通道。DM0001中存放变频器台数。DM0002中存放1号变频器的地址，DM0003中存放1号变频器运行指令，DM0004中存放变频器的运行频率。第2台至第6台变频器的数据依次设置于DM0005～DM0019中。
       DM0020为PMCR第三操作数（D），设置接收信息的有效通道数“0007”，即设定了DM0020～DM0026共7个有效通道。DM0021中存储1号变频器的运行状态数据，DM0022中存储2号变频器的运行状态数据，以此类推。
   6  结束语
       根据糖化工艺的要求，通过上位机组态软件，制定变频器的运行曲线，实时改变变频器的运行频率与运行方向，并在计算机上获得变频器的实际工作状态信息和主要运行参数，生成数据报表和运行曲线。
       通信协议宏的编写与调用简单，编程量小。使用通信协议宏实现控制多台变频器，简化了现场布线，达到了设计要求，取得了很好的效果。