XIAOZHONGMING

    摘  要：随着工业自动化的技术发展，工业控制已从单机控制走向集中控制，工业控制系统已经呈现出网络化的发展趋势。其中Modbus协议是当今工业领域应用最为广泛的现场总线协议之一，可以用来实现不同现场总线系统的集成。基于Modbus协议的研究，对于实现第三方通信、系统集成互连和集中控制、具有实际意义。本文通过实例介绍了施耐德公司旗下的Quantum系列PLC与ABB变频器、AB软启动器通过Modbus协议进行数据通信，主要讨论了CONCEPT2.6编程环境下的系统硬件组态、网络构建及通信编程等关键技术环节。


    关键词： Modbus协议   Quantum   RS485

    1 引言


    M odbus协议是M O D ICO N 公司于1979年开发的一种通信协议，它是目前工控系统中应用最成功的现场总线之一，是真正开放、标准的网络通信协议。由于其性能优异，结构简单，组网简单，组网成本低廉，其总线标准得到了越来越广泛的应用，已经被认可成为一种标准的通信规约。目前RS232/RS485通信过程中，更是广泛采用这种规约。



    2012年公司对某水泵房进行改造，在其自动化控制系统中，采用了公司普遍应用的施耐德Q uantum 系列PLC。泵房配置有4台水泵，在水泵控制系统中，1#~3#水泵采用A B公司 SM C-Flex系列软启动器拖动，4#水泵采用A BB公司A C S800系列变频器拖动。自改造投产半年来，该系统运行非常稳定、可靠。下面笔者以施耐德公司旗下的Q uantum  PLC与A BB变频器、A B软启动器通过M odbus协议进行数据通信为例，对M odbus通信的应用进行叙述，以期达到抛砖引玉的效果。


    2 控制系统及网络结构构成说明


    Q uantum  PLC采用工业以太网与上位机构建监控网络，其CPU与3台软启、1台变频器构建M odbus网络，其PLC硬件配置及网络结构如图1所示。

图1 硬件配置及网络结构

    Q uantum 系列CPU型号选用140CPU43412A，模块上集成了RS232C形式的M odbus协议通信口，而SM C-Flex软启动器配置的20-CO M M -H 通信卡和ACS800变频器配置的N M BA -01适配器模块均集成了RS485形式的M odbus协议通信口，所以PLC通过一个RS232/485转换器对接口形式转换后进行M odbus通信即可。其中RS232/485转换器选用研华公司的A D A M -4520产品，它是有源的RS232到RS422/485的转换器，无须任何软件驱动，硬件配置正确即可实现转换功能，其RS485端带有硬件自动数据流控制（Autom ati c data fl ow ），信号端具有3000VD C隔离保护 这样就有效的防止模块在收到高压冲击时而损坏。


    140CPU 43412A与AD A M -4520的串口连接方式如图2所示。

    图2 CPU 43412A与A D A M 4520连接

    AD AM -4520的RS485端可带多个变频器，CPU作为主站，变频器作为从站。PLC作为通信主站发送读/写变量请求，CPU 主站串口地址的设置可以在硬件配置中设定。变频器作为通信从站根据主站指令自动响应，可在变频器中设置从站地址，其串口地址通过拨码开关进行设置。在本系统中，各设备的M odbus网络串口地址分布见表1。

    3 Concept2.6编程软件环境下的系统组态及通信编程


    3. 1  系统组态


    使用Concept2. 6编程软件，在M odbus Port Setti ng中对端口1进行配置，具体设置方式如图3所示。


    3. 2  M odbus编程

图3 M odbus端口设置

    对于Quantum 系列，编程软件里有专用于M odbus通信使用的XXM IT功能块（如图4所示） 。Q uantum  PLC做M odbus主设备时可以通过IEC XXM IT指令与其它支持M odbus协议的从设备进行M odbus通信。XXM IT参数中包括功能码，从站地址等信息。Concept编程软件的帮助中对于XXM IT指令的功能、寻址、数据格式等都有详尽的描述，并有相关通信示例说明，本文就不再逐一阐述。在本例中就是使用此XXM IT功能块读、写变频器（或软启）的寄存器。

图4 XXM IT功能块

     在此，笔者就设计中的一些经验与大家做一交流：


    （1）在PLC的每个扫描周期最多只能有1个通信模块 （XXM IT）同时处于通信激活状态。为了实现系统的可扩展性，容许带多个从站，可对每个M odbus从站设置1个时间令牌，时间令牌在几个扫描周期内轮流传递，每个通信块只有在拿到时间令牌的时候才会和从站进行通信。


    （2）所有RS485通信回路都应遵照主/从方式，依照这种方式，数据可以在1个主站和多台从站之间传递，从站数量应限制在32个以内。


    （3）在实际通信的过程中，可根据现场的具体情况调整传输波特率和轮巡周期的长度。如果M odbus从站响应速度过快，XXM IT会产生故障代码。


    （4）XXM IT 模块支持8种M o d b u s功能代码。在本例中设计为通过M o d b u s功能代码03（十进制）读取从站设备的数据（变频器的实际运行参数，如电流、电压等）。 如图4所示，程序中自4 #变频器（从站地址1）数据区读取字（% M W 1000~% M W 1009） ， 并将数据放置在主站PLC数据区（% M W 430~% M W 439）。


    （5）XXM IT模块读取后的数据与设备实际运行参数会存在有一定的不同，如有必要须进行一定的逻辑转换。如在本例中读取的电流值，需除10才与其实际电压值相符；如读取的变频器的频率值，需除100才与其实际频率值相符。笔者曾尝试通过此模块实现与智能仪表的M odbus通信，读取后的数据必须通过高低位字节转换之后才与实际仪表参数相符。


    4 结束语


    本文介绍的基于M odbus协议的监控系统，以施耐德Q uam tum  PLC作为主站实现对变频器、软启的遥信、遥测、遥控及修改装置参数等功能，性价比高，符合过程工业流行的趋势。该网络系统运行稳定，可靠，且非常易于扩展，在工程上有一定的借鉴意义。