PLC对变频器的Modbus通讯控制毕业设计方案.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子和电气工程院 专 业： 自动化 学 生： 指导老师 ： 完成日期 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）PLC对变频器Modbus通讯控制Frequency converter with Modbus communication control based on PLC 总 计： 25 页 表 格： 3 个 插 图： 20 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）PLC对变频器Modbus通讯控制Frequency converter with Modbus communication control based on PLC 学 院（系）： 电子和电气工程系专 业： 自动化学 生 姓 名： 学 号： 10409102指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师：完 成 日 期： 年 月 日 PLC对变频器Modbus通讯控制自动化 摘 要本设计关键内容为设计和制作运动控制试验台。以伺服电机及配套驱动器、PLC和变频器为关键设备，实现多种控制要求，方便以后学习伺服及相关传动知识。关键完成以DVP 系列PLC 作为主机，经过其自带RS485接口，使用MODBUS协议实现对内嵌有RS485 接口台达VFD-M 变频器进行控制，旋转编码器采集三相异步电机速度反馈给PLC等控制任务。关键字PLC；变频器；MODBUS；控制 Frequency converter with Modbus communication control based on PLC Automatin Specialty YAO Yi-binAbstract:The design is aimed to make designing servo experiments table.Based on the devices, the system regards the servo motor and matching drive.PLC.inverter as the core components and achieving many kinds of control requirement, it helps to learn the knowledge of servo and transmission.Frequency converter with Modbus communication control based on DELTA DVP40EH PLC.Encoder feedback speed of three-phase asynchronous motor to PLC.Comprehensive use the experiment equipment.Key word:Programmable Logic Controller;converter;Modbus;control目 录1引言11.1 课题研究意义11.2 课题研究目标12硬件介绍12.1VFD-M变频器12.2Delta伺服驱动器和伺服电机22.3人机界面33试验台组建和各器件连接43.1电源模块43.2变频器安装和设置53.2.1VFD-M变频器安装53.2.2VFD-M变频器配线53.2.3变频器设置参数63.3伺服硬件安装63.3.1伺服驱动器安装63.3.2伺服驱动器配线73.3.3伺服电机安装和接线93.4 三相异步电动机和编码器连接104程序设计114.1 Mudbus通讯协议114.2WPLSoft软件编程114.2.1实现Modbus通讯124.2.3速度采集154.3人机界面155试验结果分析16参考文件18致谢19附录1201引言1.1 课题研究意义 伴随工业自动化技术不停发展，在工业控制中，交流电机拖动越来越多地采取变频器完成，而变频器也不仅仅作为一个单独实施机构，而是伴随其不停智能化，能够同主机之间经过一定通信方法结合成一个有机整体。 采取RS485 通信接口对交流电机拖动进行控制，这是一个低成本联接方案，能够极大地降低线路联接复杂性，避免现场可能多种电磁干扰对控制设备影响。本设计介绍以DVP 系列PLC 作为主机，经过其自带RS485接口，使用MODBUS协议实现对内嵌有RS485 接口台达VFD-M 变频器进行控制，VFD-M变频器控制异步电机运行，用旋转编码器测试电机转速反馈给台达PLC，台达PLC控制ASDA-AB伺服电机跟踪异步电机运行，同时在试验台上实现DOP-AE系列人机界面监控。现在变频器调速已经上升为以电气调速传动为主流,变频器调速已经从最初只能用于风机、泵类调速过渡到针对各类高精度、快响应高性能调速控制。中小容量变频器采取了自关断器件全数字控制PWM,已经实现了通用化,变频器调速已经优于直流调速装置。变频器快速发展,使传统电气传动观念得到了转变。伴随智能化发展和普及,使用PLC和变频器结合来实现变频器远程控制,是现在电气传动远程控制中主流。我们国家伺服控制系统研究较国外晚部分，不过台达企业也推出了部分比很好变频器。但跟国外还是有差距，关键表现在控制精度上，伴随中国经济发展，中国设备对控制精度要求越来越高，现成控制系统仍有很多需要改善和完善地方，所以要不停地改善和技术革新。1.2 课题研究目标完成试验台设计和制作，关键以PLC对变频器MUBDUS通讯控制为目标。设计目标是能使我们掌握自动化控制工程设计能力和安装调试能力，熟悉台达PLC、变频器、伺服驱动器和伺服电机等硬件，掌握WPLsofl软件编程。为我们毕业后进入自动化行业打下坚固基础。2硬件介绍2.1VFD-M变频器变频器是利用电力半导体器件通断作用将工频电源变换为另一频率电能控制装置，能实现对交流异步电机软起动、变频调速、提升运转精度、改变功率原因、过流/过压/过载保护等功效。毕业设计中使用是台达VFD-M变频器。台达变频器VFD系列是一款高功效低噪音迷你型变频器。含有体积小、低速力矩大、性能完善、使用方便等特点。使用型号为VFD015M21A-Z(VFD-M系列；2HP；最大适用马达1.5KW；输入电压：220V)变频器。2.2Delta伺服驱动器和伺服电机伴随微处理器技术日新月异，大功率、高性能半导体功率器和伺服电机所需永磁材料制造工艺发展及其性价比不停提升，交流伺服电机和交流伺服控制系统已经成为目前工业领域中，实现自动化基础技术。台达ASDA交流伺服驱动器以其掌握关键电子技术为基础，针对不一样生产机械需求，研发了全方位伺服驱动器及伺服系统。台达伺服驱动器产品控制回路均采取高速数字信号处理器，配合增益自动调整、指令平滑功效设计和软件分析和监控，可达成高速位移、正确定位等运动控制需求。ECMA系列伺服马达支持低、中、高三种惯量，可处理在不一样扭力应用上需求。支持标准Modbus通讯读写，可和台达PLC, HMI组成通讯控制架构。本系列可适适用于多种机械加工行业或产业机械。多用于机械加工中心刀库控制，分度装配系统、封口机、剪床机、送料机、雕刻机、车床、高速卷绕机、检测机、切割机、PCB点胶机、成型机等。使用ASDA-AB伺服驱动，其参数以下表1：表1 ASDA-AB伺服驱动参数设置额定输出功率400W输入电压及相数220V编码器分辨率2500ppr是否支持ECMA电机机种是2.2.4伺服电机工作原理交流伺服电动机定子结构基础上和电容分相式单相异步电动机相同。其定子上装有两个位置互差90绕组，一个是励磁绕组Rf，它一直接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机含有较宽调速范围、线性机械特征，无“自转”现象和快速响应性能，它和一般电动机相比，应含有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。现在应用较多转子结构有两种形式：一个是采取高电阻率导电材料做成高电阻率导条鼠笼转子，为了减小转子转动惯量，转子做得细长；另一个是采取铝合金制成空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路磁阻，要在空心杯形转子内放置固定内定子。空心杯形转子转动惯量很小，反应快速，而且运转平稳，所以被广泛采取。交流伺服电机工作原理和分相式单项异步电动机即使相同，但前者转子电阻比后者大多，所以伺服电机和单相异步电机相比有三个显著特点：（1）开启转矩大因为转子电阻大，它可使临界转差率SO1，这么不仅使其机械特征更靠近于线性，而且含有较大开启转矩。所以，当定子一有控制电压，转子立即转动，即含有开启快，灵敏度高特点。（2）运行范围广（3）无自转现象 正常运转伺服电机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。伺服关键靠脉冲来定位，基础上能够这么了解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身含有发出脉冲功效，所以伺服电机每旋转一个角度，全部会发出对应数量脉冲，这么，和伺服电机接收脉冲形成了呼应，或叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这么，就能够很正确控制电机转动，从而实现正确定位，可达成0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，开启转矩大，调速范围宽，控制轻易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。所以它能够用于对成本敏感一般工业和民用场所。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场方向旋转，在负载恒定情况下，电动机转速随控制电压大小而改变，当控制电压相位相反时，伺服电动机将反转。2.3人机界面工业人机界面(Industrial Human-machine Interface 或简称Industrial HMI)是一个带微处理器智能终端，通常见于工业场所，实现人和机器之间信息交互，包含文字或图形显示和输入等功效。现在也有大量工业人机界面因其成熟人机界面技术和高可靠性而被广泛用于智能楼宇、智能家居、城市信息管理、医院信息管理等非工业领域，所以，工业人机界面正在向应用范围更广高可靠性智能化信息终端发展毕业设计采取是台达DOP系列人机界面产品，该人机界面支持Delta、Omron、Siemens、Mitsubishi等不一样种牌子PLC,支持任意字体画面编辑器，操作方便，利用宏功效能够有效帮助PLC处理复杂运算功效及分担PLC控制器工作量，还能够配合通讯宏指令自行撰写通讯协议，并透过串行口和特定系统或控制连接。DOP系列人机界面需要安装Screen Editor编辑软件。3试验台组建和各器件连接3.1电源模块设计试验台使用是DVP-40EHPLC、VFD-M变频器、ASD-AB伺服驱动器、ECMA系列伺服马达、三相异步电动机等。依据上述设备PLC、变频器和伺服驱动需要单相220V电源，能够由空气开关直接提供，而三相异步电机需要是三相330V交流电，能够由变频器提供。220V交流电经过直流稳压电源给编码器等设备提供24V直流电源。 空气开关选择也至关关键，现在空气开关不仅仅是一个开关，同时还含有漏电保护功效、失压、过电路保护等作用。试验台上我们选择是含有漏电保护作用断路器。空气开关选择其额定电流应该大于或等于线路额定电路，试验台上安装断路器型号分别为DZ47LE-16和DZ47LE-13两种型号。图1 空气开关图2 直流稳压电源3.2变频器安装和设置3.2.1VFD-M变频器安装台达VFD-M变频器是用螺钉固定在铁架台上，因为变频器在运行时候会产生大量热量，所以在其左右留有大量空间方便其散热。变频器底部装有冷却风扇，且底部需要接线，所以在变频器底部也留有大量空间，为了接线方便把变频器向里面缩进了一点。图3变频器所表示。因为变频器四面留有大量散热孔，在安装时候一定要注意不能将杂物木屑等物掉入变频器里，很可能会引发火灾等事故。图3 变频器3.2.2VFD-M变频器配线 台达VFD-M变频器选择是220V交流电源，由空气开关C20连接到变频器R/L1,S/L2,T/L3端。给变频器提供电源。三相异步电动机接变频器U/T1，V/T2，W/T3端。给三相异步电机提供330V交流电源。在改线过程中，一定要注意在电源关断情况下进行，而且在电源关断以后不能立即接线，要等回路直流部分滤波电容完成放电才能开始接线，也就是要等候指示灯熄灭以后，最好再用直流电压表测试电压是否在25V之下。不然很有肯能发生事故。 在VFD-M变频器下方有众多功效控制端子，能够实现变频器多段速调速。RA、RB为多功效知识信号输出接点，M0为多功效输入辅助端子，M1-5为多功效输入选择，在组建试验台时为了以后改线方便，把全部端子全部连接到后面端子排上了。线图4控制端子接线图所表示。图4 控制端子接线图3.2.3变频器设置参数变频器参数设置是在变频器控制面板上完成，Modbus通讯控制设置参数以下表2。表2 Modbus功效变频器参数设置参数设置值说明P0003主频率输入由串口通信控制（RS-485)P0103运转指令由通信控制，键盘STOP有效P8801VFD-M系列变频器通信地址为1P8901通信传送速度Baud rate 9600P9201MODBUS ASCII模式，资料格式3.3伺服硬件安装3.3.1伺服驱动器安装伺服驱动器安装和变频器很相同。也是用螺钉固定在铁架上，并垂直安装，在其上下左右留下大量空间，方便其散热，在伺服驱动器上面和侧面全部有大量排气孔，不能够将其堵住，在安装时候也要小心其它杂物掉进去，很轻易引发事故，图5私服驱动器所表示。图5 伺服驱动器3.3.2伺服驱动器配线伺服驱动器电源接线法分为单相和三相两种。本设计使用是单相电源接线法。空气开关C16零火线连接伺服驱动器RS端口，L1和R连接，L2和S连接，图6伺服驱动电源接线所表示。伺服驱动器U、V、W端子接伺服电机输入端，给伺服电机提供电源。CN2端接伺服电机编码器接头，当伺服电机转动时候，编码器采集速度经过CN2端传送给伺服驱动器。CN1I/O为伺服驱动器输入输出端，能够接PLC也能够接开关。毕业设计中需要把各端子连接到后面端子排上，因为伺服驱动CN1线太多，又是细单铜丝，不方便接线，为了接线方便在每根导线后面焊接了粗一点导线。图7为伺服系统周围接线。图6 伺服驱动电源接线图图7 伺服系统周围接线 伺服全部有三种控制方法：速度控制方法,转矩控制方法,位置控制方法。速度模式是经过模拟量输入或脉冲频率进行转动速度控制。转矩控制方法是经过外部模拟量输入或直接地址赋值来设定电机轴对外输出转矩大小。位置控制模式通常是经过外部输入脉冲频率来确定转动速度大小，经过脉冲个数来确定转动角度，毕业设计中采取是位置控制模式。图8位置控制模式接线图所表示图8 位置模式控制接线图3.3.3伺服电机安装和接线伺服驱动器上U（红色）V(绿色)W(黑丝)端子引出线连接到伺服电机电源线上，其对应颜色为红对红，绿对白，黑对黑。伺服驱动器上CN2端导线连接是伺服电机编码器上，它有专用插头。把伺服电机固定在试验台前面平台上。3.4 三相异步电动机和编码器连接毕业设计中使用是一台轴颈14mm电机，而编码器轴颈为6mm，同时编码器自带含有缓冲功效内径6mm塑料管。为实现电机和编码器对接。特请机电系老师制作了一个联轴器，具体尺寸图9联轴器所表示。不过因为编码器和三相异步电机不是同轴，所以编码器采集脉冲有比较大误差。图10为编码器和三相异步电机。图9 联轴器图10 编码器和三相异步电机3.4PLC和变频器连接当和PLC进行RS485通讯时，仅需使用编号为3和4脚，其中3脚和PLCRS485接口相连，脚和RS485口+相连即可。变频器接口为RJ11接口，和常见电话机接口是相同，而PLC端是一般接线端子埠，所以通讯线制作很简单，无需用专用接口焊接通讯线。图11变频器通讯接口各脚分布及定义所表示图11 变频器RS-485接口各脚定义3.4.1 RS485接口特点RS485接口是在我们熟知RS232接口基础上推出性能更优一个串口。因为RS-485接口含有良好抗噪声干扰性，较长传输距离和多站功效等优点，它成为应用越来越广泛串行接口。另外，RS485接口组成半双工网络通常只需二根屏蔽双绞电线，这为长距离通讯线路节省了很多配线，降低了系统成本。4.程序设计4.1 Mudbus通讯协议MODBUS协议是GOULD 企业为工业控制而设计一个可靠而有效工业控制系统通信协议，大量应用证实是一个可靠有效工业控制系统通信协议，得到了众多硬件厂商支持，并广泛应用。MODBUS协议数据通讯经过主机和从机之间用命令/应答方法实现，主机发出数据请求消息，从机接收到正确消息后就能够发送数据到主机以响应请求；主机也能够直接发消息修改从机数据，实现双向读写。MODBUS 协议系统中有两种有效传输模式：ASC（美国家标准准信息交换码）模式和RTU（远程终端装置）模式。本设计用是ASC模式，ASC 模式通信时,在消息中每个8bit 字节全部作为两个ASC 字符发送。ASC模式通信字符传输格式为1 个起始位，7 位数据位，一位偶校验位，一位停止位。 CMD指令码是MODBUS 协议要求功效代码，其中功效代码03 代表读取内部寄存器内容，功效码06 代表刷新单个寄存器内容。LRC 是ASC模式采取纵向冗余错误校验，即把一个8 位二进制数作为2 个ASC十六进制字符传送，把十六进制字符转换为二进制，加上无循环进位二进制字符和二进制补码，生成LRC 错误校验。这个LRC 在接收设备进行校验。冒号、回车、换行和其它非ASC十六进制字符不在计算之内。4.2WPLSoft软件编程WPLSoft软件是用于编写台达系列PLC软件，也就是本设计使用软件。进入软件首先点击通讯菜单栏中通讯侦测（在电脑和PLC,PLC和变频器全部连接好前提下），电脑会自动侦测通讯设置。然后点击设置中PLC机种选择，选自己所用机种，本设计使用是EH2系列。4.2.1实现Modbus通讯在编写程序之前要明确任务，该毕业设计任务是用PLC经过Modbus通讯控制变频器运行，所以编写程序要求有：（1）读取VFD-M 系列变频器主频率（频率指令）、输出频率并将其分别存于D0、D1 中。（MODRD指令实现）（2）设置变频器以主频率为40Hz 正方向开启。（MODWR 指令实现）。 下面是我所编写Modbus通讯程序。图12 Modbus通讯设置程序MOV指令是把16进制H86存入D1120中，D1120为COM2(RS-485),H86所表示是通讯格式为9600,7,E,1 H8(1000)表示是9600bps。因为当PLC由STOP到RUN时，在PLC第一次扫描时间时，会侦测M1120是否有ON，若有则会依据D1120设置值去更改COM2相关设定，所以在设置好D1120后要SET M1120使其通讯格式保持。D1129为通讯逾时异常，时间定义。设置通讯逾时时间定义为100ms 。M1143为COM2（RS-485)ASCII/RUT模式选择（OFF是为ASCII模式ON。图Modbus通讯设置程序。图13 计数器利用C0为PLC计数器，当C0=0时M0为ON，当C0=1时候M1为ON，当C0=2时候M2为ON，当C0=3时候C0被复位。这么PLC一开始RUN，就比较C0是否等于0，就开始不停对M0M1M2进行控制。图13计数器利用所表示。图14上边缘命令利用当M0或M1或M2从OFF到ON时，其导通，使M1122置位。M1122为位置送信要求。图14上边缘命令利用。图15 频率读取和输入当M0闭合时候MODRD指令实施，K1为通讯地址，H2102为变频器频率地址,K2是数据长度为2个字。整个意思是读取变频器主频率及输出频率，并以ASCII码字符形式存放在D1073-D1076，并自动将其内容转换成16进制数值存放于寄存器D1050和D1051中。图15频率读取和输入所表示。当M1闭合时候MODWR指令实施，K1为通讯地址，H为对驱动器指令。H12是0001 0010，在H中功效如表，所以它设置了变频器开启并正转。表3 变频器H功效表 HBit0100B无功效01B停止10B开启11JOG开启Bit23保留Bit4500B无功效01B正方向指令10B反方向指令11B改变方向指令Bit615 保留当M2闭合时候MODWR指令实施，K1为通讯地址，H是对驱动器频率指令，K4000就是设置变频器主频率为40Hz。图15频率读取和输入所表示。图16 通讯错误在该程序中MODBUS通信只会出现4种情况，图16通讯错误所表示。正常通信完成对应通信标志M1127，通信错误对应是M1129(通信接收逾时）M1140(数据接收错误）M1141(指令参数错误）。所以，在程序中经过这4个通信标志信号ON/OFF 状态进行计数，在利用C0数值来控制3个MODBUS指令依次实施，确保通信可靠性。图17输出程序该条指令时将变频器主频率存放在D0中，把变频器输出频率存放在D1中。图17输出程序所表示。4.2.3速度采集图18 速度采集程序当M104闭合时候，实施SPD指令，SPD为脉冲频率检测，旋转编码器以旋转一圈发送100个脉冲，经X0发送给PLC，K1000为接收时间，采集脉冲数存放在D10中，然后D10中数乘以60结果存放在D5中，再D5中数除以100所得数存放在D8，D8中数就为现在三相异步电机转速。图18速度采集程序所表示。4.3人机界面 在人际画面中停止按钮和程序M101相关关联，当停止按钮按下时M101 ON，H01转移到数据寄存器D20中，电机停止转动，在停止按钮OFF状态下按下正转按钮，电机正转，正转按钮和M102关联，当M1O2闭合，H12转移到寄存器D20中，电机正转，但之前必需在输入频率中输入一定频率，电机才会以一定速度旋转。输入频率是和D21相关联。反转按钮是和M103关联，当M103闭合,H22转移到D20中电机反转。电机转速时测得目前三相异步电机实际转速，它是和D8关联，直接读取D8中所计算出来速度。图19人机界面。图19 人机画面5试验结果分析本毕业设计关键是完成PLC对变频器Modbus通讯控制，并自主设计和制作运动控制试验装置。经过快要十二周努力，最终完成了“仁”“智”“礼”“义”“信”5台试验台硬件安装。经过调试运行，实现毕业设计全部要求利用Modbus通讯控制变频器，并采取了人机界面监控。同时毕业设计试验台还增加了伺服驱动器、伺服电机、编码器，靠近开关、光电开关、电磁阀等设备。提升了试验台综合控制能力。在采取编码器采集三相异步电机旋转速度时候，编码器采集速度产生一万多转速误差，一开始认为可能是电压问题，把编码器24V电源接到愈加稳定PLC上24V电源上。不过问题还是存在，排除了电压不稳定原因，那就是信号干扰，检验编码器排线，发觉有可能是330V异步电机导线干扰，因为在330V输入导线和编码器输出导线有交汇，转移了交汇点，误差还是很大。用示波器测出编码器输出脉冲受到好多高频干扰，所以会产生一万多误差。经分析在编码器ABZ相和0V相分别并联一个103电容，再用示波器测得干扰少了好多，减小了电容容量，换成474电容，再用示波器测出来波形很完美。图20最终波形图所表示。图20 最终波形图PLC对变频器MODBUS通讯控制，使用是RS485通讯，电话线就能够使用，一端接变频器RJ-11接口，一端接PLCRS485接口。设置好变频器参数，下载好程序后，连接好人机界面，在人机界面中能够对三相异步电机进行停止、正转、反转等控制。同时在人机界面上会显示三相异步电机转速，达成了控制和监控要求。参考文件1 DVP PLC应用技术手册M.32 王树青，过程控制工程M.北京：化学工业出版社，.93 DOP系列人机界面使用手册M.64 胡崇岳,旋转编码器原理和应用J.上海多普机电,.6 61-655 王敏强,伺服电机驱动器技术和应用M.北京：机械工业出版社，.66 台达DVP-PLC编程技巧软件篇M.北京：中国电力出版社,.17 路康,基于MODBUS协议变频器PLC通讯控制技术M.郑州:郑州轻工业出版社，.78 DVP PLC编程技巧-WPLSoft软件篇M.39 何超,交流变频调速技术M.北京：北京航空航天大学出版社,.310 DELTA VFP-M使用说明M.311赵雅，台达变频器和台达PLC通讯功效实现方法J.上海：变频世界，.4 81-8412李浩，旋转编码器在电机速度测量中应用研究J.北京：冶金自动化，.8 103-10513陈伯时，电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，。714Y.Kawakami,TJam.New design Method of Decoupling Control System for Vector Controlled1998InductionMotor.Kawabata,.8 15D.Vaes,W.souverijins,J.Decuyper,J.Swevers,P.Sas.Decoupling feedback control for improved multivari.5致谢经过点。另外，在此次毕业设计中，得到了附录1