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如何用RS485网络实 现PLC与TD 3000变频器多机控系统

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  基于RS 485的远程控制系统设计 孙宇翔,全厚德 (军械工程学院河北石家庄050003) 摘 要:在信息化条件下,根据战场模式和战场环境的变化,采用新思路和新方法提出一种能够实现远程控制功能的系 统的设计方案。该系统基于RS 485通信协议,采用单片机作为逻辑芯片,具有实时性强、编程简单、成本低、工作可靠的 特点。 关键词:C8051F020单片机;RS 485;MAX485;串行通信 中图分类号:TN91 文献标识码:A 文章编号:1004—373X(2009)19—049—04 Design of Long——distance Control System Based on SUN RS 485 Yuxiang,QUAN Houde (Ordnance Engineering College.Shijiazhuang.050003.China) Abstract:Basing method tO on transformation of the mode and the surroundings of battlefield,a scheme by using new notion and new information—based condition.The system is based are on realize the long—distance control system in the as RS 485,adopts C8051F020 cOSt the logic element,the characteristics of which shown as follows:real—time system,easy tO"program,low and working reliably. Keywords:C805 1F020;RS 485;MAX485;serial communication 0引 言 有一定的智能性等优点,广泛应用于国防工业的控制领 域和数据采集系统中。但对于某些复杂任务的实现,如 大数据量的计算、人机对话等,单片机却无法胜任。相 反,PC机在这方面却有着较强的优势。因此,将它们 进行有机的结合,组成一个完善的系统就显得非常有必 要了。在系统中,单片机负责对数据的采集和执行单元 的控制,PC机负责实现数据处理的功能,这时就涉及 到了一个单片机与PC机之间通信的问题。在单片机 和PC机之间进行高速、可靠的通信,目前较为流行的 方式是采用串行通信方式。根据某型防空指挥系统通 信距离远的特点,本系统选用RS 485标准作为主要的 通信方式。 在远距离控制系统中,控制指令一般通过数据总线 进行传输,而通信距离在几十米到上千米的远距离控制 系统现在通常采用RS 485总线标准定 义了一个基于单对平衡线的多点、双向(半双工)通信链 路,提供了高噪声抑制、高传输速率.、长传输距离、宽共 模范围和低成本的通信平台[2]。 1 某型防空指挥系统是一个以微型计算机为核心的 模块化和节点化设计的网络系统。全系统由6种基本 工作站组成,组成了比较完整的防空作战情报指挥系 统,主要用于空中目标情报的快速采集、处理和传递,实 现实时有效的射击指挥及办公自动化。由于各工作站 所要完成的工作都较复杂,安装、搭载的软件和设备也 都很多,因此工作站的计算机上普遍装有多个硬盘,并 按照功能的分类装有不同的系统,在使用时,根据需要 对系统进行选择和系统间的切换。随着现代科技的发 展和军事变革的不断推进,在应用时对系统选控的实时 性、可靠性和操控性都提出了更高的要求,传统的控制 手段已不能满足新的需要。基于此该文设计了一种由 固态继电器和单片机构成的控制单元。该控制单元能 够利用固态继电器的断开和导通控制计算机中硬盘的 断电和上电。固态继电器功耗较小,且多使用直流电 源,是一种性能优良、通用性强、体积小、工作可靠的元 器件。利用这种元器件设计的控制单元有着广泛的应 用范围和良好的使用前景[1]。 目前,单片机以其成本低、使用灵活、实时性强、具 系统的组成及战技指标 作为某型防空指挥系统的子系统,本远距离控制系 统由一台PC机。若干个控制单元,以及连接PC机和控 收稿日期:2009—04—01 制单元的数据线组成,每个控制单元又分别对应三个受 49 万方数据

  系统硬件框图如图2所示,上位PC机用专门的软件编辑将要显示的信息,通过串口发给单片机,存储在Flash内,单片机再驱动电路将字符的编码通过LED点阵的形式显示出来。

  STC89LE516是一款强抗干扰,高速,低功耗的单片机,增强型51内核,集成了看门狗电路,内含64K字节Flash存储器,512字节RAM,可在线编程,可远程升级,价格便宜。

  控制器接收数据采用单片机内部全双工的通用异步收发器UART)。在传输距离小于20m时采用非平衡的RS-232,在传输距离为几十m到上km时采用RS-485。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力,可以联网构成分布式系统。由于显示屏的位置是分散的,彼此相距几十甚至几百m,所以控制器用MAX232和SN75176分别做电平转换,用跳线之间的切换选择,从而实现和PC的通信,完成数据的存储和更新。

  目前大多数LED显示屏的屏幕设计采用的是模块化的结构,其基本单元是LED显示单元模块,屏幕大小和形状可灵活改变,显示屏的安装和维护也十分方便。LED显示单元模块分为LED点阵和驱动电路2部分。

  行驱动电路由2片3-8译码器74HC138组成。一个行选信号同时控制着一行中所有LED的通断,所以它需要较大的驱动电流,为此选用4953。4953内含2个P沟道的MOSFET

  显示过程为:(1)把显示缓存区中的第1行红色数据和绿色数据分别送入595锁存;

  每个LED显示单元模块有2个接口,可根据显示长度的不同需求灵活扩展LED单元,控制器保持不变。如需高度上扩展,可通过扩展CPLD

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  原标题:如何用RS485网络实现PLC与TD 3000变频器多机控制?附系统框图

  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。

  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。

  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。

  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。

  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:

  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。

  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:

  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:

  TD3000矢量变频器采用两线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,极速分分彩免费计划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:

  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。

  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

  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。

  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:

  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:

  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:

  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:

  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)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。

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