摘要：本文以预缩整理机为基础，阐述了Modbus协议在丹佛斯VLT2900系列变频器中的应用
关键词：Modbus PLC 变频器
Abstract: Based on pre-shrink machine, this article introduces application of Modbus protocol in Danfoss VLT2900 inverter.
Key words: Modbus PLC inverter
1、预缩机原理简述
预缩机是印染行业中织物后整理的最后一道工序，它是将织物经过机械物理预缩（橡胶毯）的方法，使其预缩率降低，手感改善。基本配置由四个单元组成：给湿单元、橡胶毯预缩单元、呢毯整理单元和出布单元。给湿单元完成预缩前的给湿准备，以使织物拥有一定的含湿量，便于织物预缩。其拖动部分为一只糙皮辊。由一个2.2KW电机拖动。橡胶毯预缩单元是本机的核心，主要是通过橡胶毯挤压以使织物经向产生收缩。挤压由一个φ616mm的辊筒和另一个辊筒的相对运动完成，拖动由一个15KW的电机完成。呢毯整理单元主要用以烘干织物和改善手感，由一个3KW的电机拖动一个φ2000mm的大滚筒完成。出布单元由一个1.5KW的电机拖动摆布斗完成。其工艺流程如下：
进布单元－橡胶毯预缩单元－呢毯整理单元－落布单元
2、系统配置方案
在本方案中，触摸屏采用日本Proface公司生产的GP系列，PLC采用西门子公司S7-226系列，变频器采用丹佛斯VLT2900系列，由于该系列变频器内已经内置了RS485接口且支持modbus协议，故这使该系统性价比非常高。S7－226系列的CPU内置了两个通信口，这两个通信口都为RS485接口，均可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式及自由通信口方式。PPI是point-to-point的缩写，即点对点方式，是西门子公司专为S7－200系列开发的一个通信协议，在本案中，我们可把其中的一个通信口设置为该方式，用以连接HMI，进而做人机交换信息用。而第二个通信口我们把它设置成自由口通信方式。自由口通信方式是S7－200系列非常有特色的功能。在该方式下，依据和他通信的其他设备的公开的通信协议来编程S7－200的通信。我们在本方案中用它连接变频器以实现它们之间的相互通信。相关系统框图如下图所示：（基于本文阐述的重点，其它的如变频器和电机组成的自反馈系统不再画出和赘述。）
3、 自由口通信和Modbus协议在S7-226和丹佛斯VLT2900系列变频器的应用
A. 通讯协议及其在PLC和变频器上的基本设置
既然双方控制器要建立通信，它们必将共同遵循一定的规约，这即称之为协议。本系统中，PLC建立的通讯规约将依从于变频器的规约，即Modbus协议，这是因为S7-200支持自由口通信模式。
l 自由口通信模式：
CPU串行通信口可由用户程序控制，这种操作模式称作自由口通信模式。在该模式下，用户程序可以使用接受中断、发送中断、发送指令（XMT）和接受指令（RCV）来进行通信操作。利用该模式，PLC可以和任意第三方串口进行通信。SMB30（用于端口0）和SMB130（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通信协议。
l Modbus通信协议
a．Modbus通信是一种被用于在智能设备间建立主从方式的通信，它可以通过如RS232C、RS485等多种传输方式进行传播。它分为两种串行传输方式：ASCII和RTU（Remote Terminal Unit，远程测控中断）。它们定义了数据如何打包、解码的不同方式。丹佛斯VLT2900系列支持的是RTU方式，其格式是：
其中奇偶校验和停止位可以是0.即可以没有。
Modbus由一个主站（PLC）和最多31个从站（本系统中为4个）组成。主站负责发送指令，从站则是响应指令。在某一时刻，只能有一个从站能和主站进行连接。
b．丹佛斯VLT2900系列变频器内置了RS485物理接口，且同时支持Modbus协议。其相关的参数如站地址、波特率、校验等在561＃、500＃、570＃及501＃参数组内设置。
B. PLC和变频器通信的信号格式
l 丹佛斯VLT2900系列变频器支持标准的Modbus－RTU信号，其格式如下：
驱动器地址：本文为变频器地址。值为0～32.若设定为0，即为广播方式，则从PLC同时向所有的变频器传送指令信号，而变频器不反馈响应信号。
功能码：丹佛斯VLT2900系列支持以下几种功能码（16进制）。
|
功能码 |
功能 |
功能码 |
功能 |
|
01H |
读位存储器状态 |
06H |
写一个字存储器 |
|
03H |
读字存储器状态 |
0F |
写多个位存储器 |
|
05H |
写一个位存储器 |
10H |
写多个字存储器 |
数据：存储寄存器地址和数据组合构成一组数据。因指令的内容不同数据长度不同。
故障检查：对于RTU方式，一般采用CRC－16的方式进行，后面我们将做进一步的说明
l 丹佛斯VLT2900系列变频器编址
既然PLC与变频器通信时操作对象是存储器，故变频器内部必须有PLC能识别的存储器地址相对应。变频器生产厂家不同会导致其编址方法的不同。丹佛斯VLT2900系列变频器编址和你在其说明书上看到的参数号是遵从一等式的，即参数地址（HEX）＝[（参数号×10）－1]（DEC）。
l Modbus信号举例
a) 通过重写控制字与参考值的方式，启动电机并使之运行在50％的转速下。
指令信号：[01] [0F] [00] [00] [00] [20] [04] [7C] [04] [00] [20] [9D] [01]
该指令中
[01]为驱动器地址
[0F]为功能码，是指本命令为写多个位存储器指令；
[00] [00]指出将要写入数据的起始地址为位存储器的首地址。
[00] [20]为写入长度，20HX＝32DEC位数据。
[04]为要写入位的总字节数为4个。
[7C] [04] 047C是启动电机的控制字内容，在实际传输中为低位前置。
[00] [20]为电机运行的参考值，在实际传输中低位前置。
[9D] [01]为计算出的CRC-16值
正常时其响应信号应为：
[01] [0F] [00] [00] [00] [20] [54] [13]
b) 按频率指令60.0HZ传送到1＃变频器（地址为01），
指令信号：[01][06][04][0F][00][3C][B8][E8]
正常时响应信号为： [01][06][04][0F][00][3C][B8][E8]
C. 信号的发送和接受指令：
当信号格式被确定后，我们所要做的是从PLC如何把它们发送出去和如何接收变频器的响应信号了，在自由口模式当中，信号可以用XMT命令发送，用RCV命令接收，另外我们还可以利用SMB2（接收缓冲字节）配合其它如MOV指令等来实现字符的接收。在S7-200系统中，设计了诸如发送完成、接收完成等中断事件，我们将很方便的通过它们来控制整个程序的运行。
4、 PLC程序的设计
a) 数学模型：由于各个单元间是采用线性比例同步的，所以构建其数学模型非常简单，只要使某单元的转速和其相邻上一级单元遵循数学公式V1＝k×V2即可。为了调节两单元之间的张力，我们只需调节两单元间比例k即可。这里需提醒注意的是：某一单元的转速必须以上一级为基础进行比例调节，这样才不至于在调节单元的速度时，影响其它单元间的张力。
b) 程序框图
c) 程序结构
程序结构包括主程序、初始化子程序、停车子程序、开车子程序、比例设定子程序和速度计算子程序。其中与通信有关的程序有CRC-16校验程序、发送中断程序、接收中断程序等。下面主要介绍一下CRC-16校验程序。
CRC是 “Cyclical Rendundancy Check” （循环冗余码校验）的英文简称。 CRC码为2个字节，16位的二进制值。故又叫CRC-16。由发送设备计算CRC值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算CRC值并与CRC的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于CRC处理。起始位，停止位和校验位不参与CRC计算。 CRC校验时，每个8位数据与该寄存器的低位内容进行异或运算，然后向最低有效位(LSB)方向移位，同时用零填入最高有效位(MSB)后，再对LSB检查，若LSB=1，则寄存器与生成多项式（16＃A001）异或，若LSB=0，不作异或运算。重复上述处理过程，直至移位8次，最后一次(第8次)移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值为CRC值。 在程序编制时，可以使用FOR/NEXT指令，并使用一次嵌套。在发送时，CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。
总结：通过实践证明，该方案使得系统布线变得简单，使系统的抗干扰性明显增强。为该设备的系统升级作出了应有的贡献。
参考文献
1李道霖，电气控制与PLC原理及应用 ，电子工业出版社出版，2000
2 西门子（中国）有限公司，SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册，2002
3王永华，现代电气控制及PLC应用技术（第2版），北京航空航天大学出版社，2008
4 廖常初，PLC编程及应用，北京机械工业出版社，2002
5 吴作明，PLC开发与应用实例详解，北京航空航天大学出版社，2007.