變頻器與PLC通訊的精簡設(shè)計(jì)

1、引言

    在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，其中采用RS-485通訊方式實(shí)施控制的方案得到廣泛的應(yīng)用：因?yàn)樗垢蓴_能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)且造價(jià)低廉。但是，RS-485的通訊必須解決數(shù)據(jù)編碼、求取校驗(yàn)和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)、超時(shí)處理和出錯(cuò)重發(fā)等一系列技術(shù)問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時(shí)要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實(shí)現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣，令設(shè)計(jì)者望而生畏。

    本文介紹一種非常簡便的三菱FX系列PLC通訊方式控制變頻器的方法：它只需在PLC主機(jī)上安裝一塊RS-485通訊板或掛接一塊RS-485通訊模塊； 在PLC的面板下嵌入一塊造價(jià)僅僅數(shù)百元的“功能擴(kuò)展存儲(chǔ)盒”，編寫4條極其簡單的PLC梯形圖指令，即可實(shí)現(xiàn)8臺(tái)變頻器參數(shù)的讀取、寫入、各種運(yùn)行的監(jiān)視和控制，通訊距離可達(dá)50m或500m。這種方法非常簡捷便利，極易掌握。本文以三菱產(chǎn)品為范例，將這種“采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器”的簡便方法作一簡單介紹。

    2、三菱PLC采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器的系統(tǒng)配置

    2.1 系統(tǒng)硬件組成

    如圖1~圖3所示。

圖1 三菱PLC采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器的系統(tǒng)配置

圖2 FX2N-485-BD通訊板外形圖

圖3 三菱變頻器 PU插口外形及插針號(hào)(從變頻器正面看)

FX2N系列PLC(產(chǎn)品版本V 3.00以上)1臺(tái)(軟件采用FX-PCS/WIN-C V 3.00版)；
FX2N-485-BD通訊模板1塊(最長通訊距離50m)；
或FX0N-485ADP通訊模塊1塊+FX2N-CNV-BD板1塊(最長通訊距離500m)；
FX2N-ROM-E1功能擴(kuò)展存儲(chǔ)盒1塊(安裝在PLC本體內(nèi))；
帶RS485通訊口的三菱變頻器8臺(tái)(S500系列、E500系列、F500系列、F700系列、A500系列、V500系列等，可以相互混用，總數(shù)量不超過8臺(tái)；三菱所有系列變頻器的通訊參數(shù)編號(hào)、命令代碼和數(shù)據(jù)代碼相同。)；
RJ45電纜(5芯帶屏蔽)；
終端阻抗器(終端電阻)100Ω；
選件：人機(jī)界面(如F930GOT等小型觸摸屏)1臺(tái)。
    2.2 硬件安裝方法

    (1) 用網(wǎng)線專用壓接鉗將電纜的一頭和RJ45水晶頭進(jìn)行壓接；另一頭則按圖1～圖3的方法連接FX2N-485-BD通訊模板，未使用的2個(gè)P5S端頭不接。

    (2) 揭開PLC主機(jī)左邊的面板蓋, 將FX2N-485-BD通訊模板和FX2N-ROM-E1功能擴(kuò)展存儲(chǔ)器安裝后蓋上面板。

    (3) 將RJ45電纜分別連接變頻器的PU口，網(wǎng)絡(luò)末端變頻器的接受信號(hào)端RDA、RDB之間連接一只100Ω終端電阻，以消除由于信號(hào)傳送速度、傳遞距離等原因，有可能受到反射的影響而造成的通訊障礙。

    2.3 變頻器通訊參數(shù)設(shè)置

    為了正確地建立通訊，必須在變頻器設(shè)置與通訊有關(guān)的參數(shù)如“站號(hào)”、“通訊速率”、“停止位長/字長”、“奇偶校驗(yàn)”等等。變頻器內(nèi)的Pr.117~Pr.124參數(shù)用于設(shè)置通訊參數(shù)。參數(shù)設(shè)定采用操作面板或變頻器設(shè)置軟件FR-SW1-SETUP-WE在PU口進(jìn)行。

    2.4 變頻器設(shè)定項(xiàng)目和指令代碼舉例

    如表1所示。參數(shù)設(shè)定完成后, 通過PLC程序設(shè)定指令代碼、數(shù)據(jù)和開始通訊, 允許各種類型的操作和監(jiān)視。

2.5 變頻器數(shù)據(jù)代碼表舉例

    如表2所示。

  2.6 PLC編程方法及示例

    (1) 通訊方式 

    PLC與變頻器之間采用主從方式進(jìn)行通訊，PLC為主機(jī)，變頻器為從機(jī)。1個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一臺(tái)主機(jī)，主機(jī)通過站號(hào)區(qū)分不同的從機(jī)。它們采用半雙工雙向通訊，從機(jī)只有在收到主機(jī)的讀寫命令后才發(fā)送數(shù)據(jù)。

    (2) 變頻器控制的PLC指令規(guī)格

    如表3所示。

    (3) 變頻器運(yùn)行監(jiān)視的PLC語句表程序示例及注釋

    LD M8000    運(yùn)行監(jiān)視；
    EXTR K10 K0 H6F D0    EXTR K10：運(yùn)行監(jiān)視指令；K0：站號(hào)0；H6F：頻率代碼(見表1)； D0：PLC讀取地址(數(shù)據(jù)寄存器)。

    指令解釋：PLC一直監(jiān)視站號(hào)為0的變頻器的轉(zhuǎn)速(頻率)。

    (4) 變頻器運(yùn)行控制的PLC語句表程序示例及注釋

    LD  X0    運(yùn)行指令由X0輸入；
    SET  M0    置位M0輔助繼電器；
    LD  M0  
    EXTR K11 K0 HFA H02    EXTR K11：運(yùn)行控制指令； K0：站號(hào)0；HFA：運(yùn)行指令(見表1)； H02：正轉(zhuǎn)指令(見表1)。
    AND  M8029    指令執(zhí)行結(jié)束；
    RST  M0    復(fù)位M0輔助繼電器。

    指令解釋：PLC向站號(hào)為0的變頻器發(fā)出正轉(zhuǎn)指令。

    (5) 變頻器參數(shù)讀取的PLC語句表程序示例及注釋

    LD  X3    參數(shù)讀取指令由X3輸入；
    SET  M2    置位M2輔助繼電器；
    LD  M2  
    EXTR  K12 K3 K2 D2    EXTR K10：變頻器參數(shù)讀取指令；  K3：站號(hào)3；K2：參數(shù)2-下限頻率(見表2)；  D2：PLC讀取地址(數(shù)據(jù)寄存器)。
    OR  RST  M2    復(fù)位M2輔助繼電器。

    指令解釋：PLC一直讀取站號(hào)3的變頻器的2號(hào)參數(shù)-下限頻率。

    (6) 變頻器參數(shù)寫入的PLC語句表程序示例及注釋

    LD  X1    參數(shù)變更指令由X3輸入；
    SET  M1    置位M1輔助繼電器；
    LD  M1  
    EXTR K13 K3 K7 K10    EXTR K13：變頻器參數(shù)寫入指令；K3：站號(hào)3；K7：參數(shù)7-加速時(shí)間(見表2)；K10：寫入的數(shù)值。
    EXTR K13 K3 K8 K10    EXTR K13：變頻器參數(shù)寫入指令；K3：站號(hào)3；K8：參數(shù)8-減速時(shí)間(見表2)；  K10：寫入的數(shù)值。
    AND  M8029    指令執(zhí)行結(jié)束；
    RST  M1    復(fù)位M1輔助繼電器。

    指令解釋：PLC將站號(hào)3的變頻器的7號(hào)參數(shù)-加速時(shí)間、8號(hào)參數(shù)-減速時(shí)間變更為10。

    3、三菱PLC控制變頻器的各種方法綜合評(píng)述與對(duì)比

    3.1 PLC的開關(guān)量信號(hào)控制變頻器

    PLC(MR型或MT型)的輸出點(diǎn)、COM點(diǎn)直接與變頻器的STF(正轉(zhuǎn)啟動(dòng))、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、輸入端SG等端口分別相連。PLC可以通過程序控制變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位； 也可以控制變頻器高速、中速、低速端子的不同組合實(shí)現(xiàn)多段速度運(yùn)行。但是，因?yàn)樗遣捎瞄_關(guān)量來實(shí)施控制的，其調(diào)速曲線不是一條連續(xù)平滑的曲線，也無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)的速度調(diào)節(jié)。這種開關(guān)量控制方法，其調(diào)速精度無法與采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制的相比。

    3.2 PLC的模擬量信號(hào)控制變頻器

    硬件：FX1N型、FX2N型PLC主機(jī)，配置1路簡易型的FX1N-1DA-BD擴(kuò)展模擬量輸出板； 或模擬量輸入輸出混合模塊FX0N-3A； 或兩路輸出的FX2N-2DA； 或四路輸出的FX2N-4DA模塊等。

優(yōu)點(diǎn)： PLC程序編制簡單方便，調(diào)速曲線平滑連續(xù)、工作穩(wěn)定。
缺點(diǎn)： 在大規(guī)模生產(chǎn)線中，控制電纜較長，尤其是DA模塊采用電壓信號(hào)輸出時(shí)，線路有較大的電壓降，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，如控制8臺(tái)變頻器，需要2塊    FX2N-4DA模塊，其造價(jià)是采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制的5～7倍。
    3.3 PLC采用RS-485無協(xié)議通訊方法控制變頻器

    這是使用得最為普遍的一種方法，PLC采用RS串行通訊指令編程。

優(yōu)點(diǎn)：硬件簡單、造價(jià)最低，可控制32臺(tái)變頻器。
缺點(diǎn)：編程工作量較大。從本文的第二章可知：采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制的編程極其簡單，從事過PLC編程的技術(shù)人員只要知道怎樣查表，僅僅數(shù)小時(shí)即可掌握，增加的硬件費(fèi)用也很低。這種方法編程的輕松程度，是采用RS-485無協(xié)議通訊控制變頻器的方法所無法相比的。
    3.4 PLC采用RS-485的Modbus-RTU通訊方法控制變頻器

    三菱新型F700系列變頻器使用RS-485端子利用Modbus-RTU協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊。

優(yōu)點(diǎn)：  Modbus通訊方式的PLC編程比RS-485無協(xié)議方式要簡單便捷。
缺點(diǎn)： PLC編程工作量仍然較大。
    3.5 PLC采用現(xiàn)場總線方式控制變頻器

    三菱變頻器可內(nèi)置各種類型的通訊選件，如用于CC-Link現(xiàn)場總線的FR-A5NC選件； 用于Profibus DP現(xiàn)場總線的FR-A5AP(A)選件； 用于DeviceNet現(xiàn)場總線的FR-A5ND選件等等。三菱FX系列PLC有對(duì)應(yīng)的通訊接口模塊與之對(duì)接。

優(yōu)點(diǎn)： 速度快、距離遠(yuǎn)、效率高、工作穩(wěn)定、編程簡單、可連接變頻器數(shù)量多。
缺點(diǎn)： 造價(jià)較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制的造價(jià)。
    綜上所述，PLC采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器的方法確有造價(jià)低廉、易學(xué)易用、性能可靠的優(yōu)勢； 若配置人機(jī)界面，變頻器參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控將變得更加便利。

    1臺(tái)PLC和不多于8臺(tái)變頻器組成的交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是常見的小型工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用在小型造紙生產(chǎn)線、單面瓦楞紙板機(jī)械、塑料薄膜生產(chǎn)線、印染煮漂機(jī)械、活套式金屬拉絲機(jī)等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。采用簡便控制方法，可以使工程方案擁有通訊控制的諸多優(yōu)勢，又可省卻RS-485數(shù)據(jù)通訊中的諸多繁雜計(jì)算，使工程質(zhì)量和工作效率得到極大的提高。但是，這種簡便方法也有其缺陷：它只能控制變頻器而不能控制其它器件；此外，控制變頻器的數(shù)量也受到了限制。

    4、結(jié)束語

    本文較為詳細(xì)地介紹了PLC采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器的簡便方法，并綜合評(píng)述了三菱PLC控制變頻器的各種方法。深入了解這些方法，有助于提高交流變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。讀者可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，選擇合適的方案。本文重點(diǎn)介紹的簡便方法盡管有其缺陷，但仍不失為一種有推廣價(jià)值的好方法。