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• 发布时间：2020-09-22
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【概要描述】在国内离心机控制系统中, 会使用到变频器去调节系统内的各种设备的交流电动机转速, 同时为了实现集中控制, 常需要用一台PLC去控制多台变频器。

而目前传统的离心机控制集成系统中, 变频器的运行状态/故障反馈及启动/停止命令信号是由PLC通过输入/输出开关量模块实现点对点的控制, 变频器的运行频率/运行电流则是由PLC输入模拟量模块接收输入0~5 (10) V或0 (4) ~20 m A信号实现信号的监控, 同样变频器的频率设置则需要PLC的输出模拟量模块进行信号的调节。

在这样的控制应用中, 存在着需要配置多块价格昂贵的PLC模块增加了生产成本;且控制柜内需要敷设大量的控制线缆, 同时要考虑控制线缆的布线, 避免变频器工作时对PLC采集到的信号产生干扰问题, 增加了安装工作的强度;常规变频器的标准配置中只有两路模拟信号输出, 无法满足现场更多的监控需求;

针对这些问题, 可以通过利用PLC与变频器自身标配的RS485通信方式实现PLC对变频器的控制, 因为RS485通信方式抗干扰性强、通信距离远、传输速率快且造价低, 而且, 在RS485总线中采用的Modbus协议是公开的通信协议。本文就是针对离心机控制系统中存在的问题, 应用PLC与变频器进行Modbus通信, 实现对离心机设备的变频调速和监控。

1 离心机系统配置方案及设计

以某污水厂的离心机控制系统需求为例, 其控制对象有离心机、进料泵、加药泵, 配置如图1所示, 自控要求能够启、停每台设备, 每台设备的运行/故障状态要求反馈, 采集设备的运行频率/运行电流/故障代码/离心机的扭矩信号, 并能够调节每台设备变频器的运行频率。



图1 离心机系统设备基本组成

 

1.1 控制技术方案的比较

采用传统控制方案与串行通信控制技术方案的比较, 见表1。

根据表1数据比较, 发现选用西门子S7-200系列PLC利用其自带的通信接口和变频器进行串行通信优势非常明显, 其大大地减少了控制线路数量, 降低了安装工作强度同时还能够再增加监控多组参数 (如变频器的故障代码信息) , 而且不需要增加采购昂贵的扩展模块, 大大地降低了生产成本, 并利用RS485串行通信强抗干扰性避免了现场的各种电磁信号干扰, 使得设备运行得更加稳定可靠, 因此本项目选用串行通讯控制方案。

表1 两种技术方案的比较



1.2 控制系统的设计

从系统的应用成本和实用性来考虑, 本项目PLC采用当前应用广泛的西门子公司S7-200224XP系列小型PLC。S7-200 224XP系列PLC的CPU内部集成了2个通信口, 该通信口为标准的RS485口, 可在三种方式下工作, 即PPI方式、MPI方式和自由通信口方式。S7-20O PLC通过自由口编程支持Modbus协议, 可以灵活运用ASCII和RTU两种通信模式, 此次使用RTU通信模式。

此次变频器则采用的汇川公司MD380系列变频器, 其配有支持Modbus-RTU从站通信协议的RS485串行通信接口, 相关系统构成框图如图2所示。在该系统中, PLC的端口0和变频器构成MODBUS总线, 通过S7-224XP PLC控制多台变频器完成系统控制需要, 而PC机则通过端口1编制程序, 实现对变频器的启动、运行、停止、速度设定、运行状态监控及故障信息等功能。



图2 系统框图

 

2 系统的实现

本项目设计主要是通过变频器的RS485通信接口与西门子S7-200系列224XP的通信口1配线连接, 配线图见图3, PLC作为主站, 变频器作为从站, 并利用PLC编程软件STEP 7 Micro/Win安装的Modbus通信库, 简化编程量, 降低编程难度。



图3 PLC与变频器的连接系统图

 

2.1 举例说明

2.1.1 变频器通信参数设定及说明

变频器通信参数设定及说明参见表2。

2.1.2 PLC的程序编写

(1) 首先使用MBUS_CTRL指令 (初始化主设备) (见图4) 。

表2 变频器通讯部分参数设置



MBUS_CTRL指令必须在每次扫描时 (包括首次扫描) 被调用, 以允许监视随MBUS_MSG指令启动的任何突出消息的进程。除非每次调用MB US_CTRL, 否则Modbus主设备协议将不能正确运行。



图4 MBUS_CTRL (初始化主设备) 指令

 

(2) 读取主变频器运行参数 (主机运行频率/母线电压/输出电压/输出电流/输出功率/输出扭矩) 。

从图5可看出使用一条MBUS_MSG即可直接读取变频器内六组参数, 大大简化了程序的编写工作量。



图5 利用MBUS_MSG指令读取变频器参数

 

需要注意:一次只能激活一条MBUS_MSG指令。如果启用了多条MBUS_MSG指令, 则将处理所执行的第一条MBUS_MSG指令, 之后的所有MBUS_MSG指令将中止并产生错误代码6。

(3) 对主变频器启停控制及频率设定。

此时适当设定VW2100值 (VW2100=1变频器启动, VW2100=5变频器自由停车, VW2100=6变频器自由停车) 时, 变频器将会进行相应的启停操作 (见图6) 。



图6 利用MBUS_MSG指令控制变频器启停

 

当设定VW2104值 (其中VW2104数值的10000对应变频器设定频率100.00%, -10000对应变频器设定频率-100.00%) 时, 变频器频率将会进行相应的调节 (见图7) 。



图7 利用MBUS_MSG指令对变频器频率设定

 

以上举例程序仅是部分程序, 控制程序相对来说比较简单, 不再赘述。

3 结束语

本项目通过应用PLC与变频器的通信控制技术, 不仅顺利达到了项目的自控要求, 而且发现比传统系统 (PLC+D/A扩展模块) 极大地减少了控制线缆的布线和降低成本, 同时发现控制系统的抗干扰性性能也得到大幅提升;因而, 在离心机系统中采用PLC与变频器的通信控制技术值得推广应用。