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1、 基于Modbus TCP/IP的plc对变频器远程控制张春辉（上海交通大学 电子信息与电气工程学院 上海交大施耐德实验室）摘要：本文通过Modbus TCP/IP 以太网来实现plc（主站）对变频器（从站）的控制。利用施耐德公司所提供的透明就绪功能中的I/O扫描服务，以Drivecom方式，方便的实现了网络控制多个电机的启动和调速等功能。文中涉及到ATV71变频器，其具有可配置以太网通讯卡且内置I/O扫描服务器。关键词：Modbus TCP/IP，变频器，IO扫描，Drivecom The Remote Control of PLC to Inverter based on Modbus T
2、CP/IPAbstract: via the Modbus TCP/IP Ethernet, the remote control of PLC to inverter was exerted. Utilizing the IO scanning service offered by Schneider and adopting Drivecom standard, Start and speed regulation of multi-motor was realized easily. ATV71 inverter can collocate with Ethernet communica
3、tion card and has build-in IO scanning service.Keywords: Modbus TCP/IP , Inverter, IO scan , Drivecom 1.引言Modbus是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，应用协议简单开放并且已经得到普遍的认可，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。Modbus TCP/IP通过以太网上的TCP/IP方式实现Modbus通信。由于结合了Modbus协议的简单性和100 M 以太网的高速度，Modbus TCP/IP展现了卓越的性能，这意味着可以将这种网络应用在实时性要求很高的场
4、合，如I/O扫描等。使用者还可以从IP路由功能中得益，使得分布于世界各地的设备之间都可以进行通讯。 IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大家熟知的TCP 502端口，以专为Modbus协议保留。很多制造商都开发了对Modbus TCP/IP连接的支持。Modbus TCP/IP的简单性使得任何小型的现场设备，如I/O组件，都可以通过以太网进行通讯，而不需要配备功能强大的微处理器或大容量的内存。本文以施耐德公司的ATV71变频器为例，介绍了如何采用Modbus TCP/IP协议，通过plc编程读取和控制变频器的状态。2.通信控制协议Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元
5、（PDU），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。启动Modbus事务处理的客户机创建Modbus PDU，其中的功能码向服务器指示将执行哪种操作。Modbus TCP帧包括一个MBAP报头和一个Modbus请求。 图1 Modbus TCP/IP帧示意图Modbus TCP/IP ADU 是在 TCP 端口号 502 上接收的。ADU 当前的最大大小为 256 字节。报头为 7 个字节长度,定义如下表格：字节说明位描述0/1事务标识符高/低用于事务调配的调用标识2/3协议标识符高/低此标识总等于04/5数据长度高/低剩余字段的字节计数6目的地标识
6、符目标索引，用于数据包的系统内路由 表1 MBAP 报头单元标识Modbus TCP服务器0变频器251以太网卡252Controller Inside 卡255IO扫描器表2 ATV71服务器列表带Modbus TCP/IP以太网卡的ATV71变频器上有四个Modbut/TCP服务器，目的标识符用于区分客户端访问的是哪个服务器。Modbus服务器所支持的常用功能码列表：代码Modbus名称说明31603读保持寄存器读N个输出字61610写单个寄存器写1个输出字231617写多个寄存器写N个输出字 表3 常用功能码列表3.ATV71变频器ATV71变频器本身集成了MODBUS和CANOPEN协
7、议，通过增加以太网通讯卡VW3-A3-310，便可以支持以太网通讯。通过变频器上的图形终端来配置通讯卡的IP地址，变频器的控制方式及控制权。常用的控制方式主要有两种，分别为I/O控制模式和drivecom控制模式。变频器使用I/O控制方式时，如两线制控制，控制方案简单且直接。上电后闭合LI1，变频器即按照给定的速度运转，断开LI1，变频器则停车。但是在这种情况下，一旦变频器内部有诸如短路等故障，上述的上电即Ready的I/O控制模式会造成一些不可预测的后果。然而，在drivecom控制方式下，变频器是分阶段检测其状态，并且分阶段投入使用的，即按初始上电和故障重启的标准方式操作，通过对状态寄存器
8、 ( ETA) 的读取来判定变频器的状态 ,通过对控制寄存器 (CMD) 的设置可以调整电动机的运行状态，并且能够及时发现变频器内部短路等故障。笔者采用drivecom模式控制，通过对图形终端菜单的选择配置，设定控制命令和设定点均来自以太网。 ATV71变频器常用寄存器写入与读出变量表如下：地址代码说明输出3201ETADrivecom状态字8604RFRD电动机输出频率输入8501CMDDrivecom命令字8602LFRD在线给定频率表 4 变频器常用寄存器4.系统实现9 图2图2所示是单一的以太网网络结构，Premium PLC通过交换机与几台ATV71变频器相连。在施耐德公司的集成开发
9、环境Unity Pro 下，网络的安装是从应用程序浏览器和硬件配置编辑器进行的。该方法要求执行以下3个步骤，创建逻辑网络，配置逻辑网络，逻辑网络与网络硬件的关联。所谓创建及配置逻辑网络，即定义网络的名称，以太网通讯模块的IP地址，启用的网络服务及其参数配置。同时从站端的通讯模块必须设定为同一子网内的IP地址。通过主站通讯模块的通信通道和网络名的绑定，来实现逻辑网络和硬件的关联。 Unity Pro不但提供write_reg，read_reg等通讯函数来支持Modbus TCP/IP通信编程，而且提供了I/O扫描服务用于在PLC（I/O扫描器）和变频器（I/O扫描服务器）等其他设备间交换数据。此
10、交换通常为固有的服务，从而不再需要对plc进行编程，I/O扫描器会定期产生“读/写多个寄存器”(23=16#17)的请求。变频器上的I/O扫描服务器可通过操作面板激活，也可以通过访问通讯卡上的web服务器激活。在ATV71变频器的I/O扫描服务被启用时，将对其分配一个TCP连接。PLC中的I/O扫描使用程序可通过设置通讯卡的IP地址和变频器的单元标识（单元ID0），就可对变频器中的寄存器进行读写。 基于Modbus关于TCP/IP的主/从协议来发送读/写请求，就可以以透明的方式对I/O设备进行扫描。这是一种通过标准协议来实现的扫描服务，所以，所有在TCP/IP上支持Modbus服务器的设备，都
11、能实现该种通信。这项服务需要定义如下内容： 在CPU中为读输入预留的一个%MW字区，此空间为连续的。 同时为写输出预留的一个%MW字区，此空间也为连续的，注意读输入空间和写输出空间不能重叠。 确定刷新周期，此时间独立于PLC的扫描时间。此时间也就是PLC对变频器定时读写的周期，系统默认设定为60ms。在操作过程中，模块会： 管理TCP/IP与变频器的连接，对变频器每个变量的读写，都会建立一个TCP连接。 对设备进行扫描，把I/O复制到设定的%MW字区。 返回状态字，以便于从PLC应用程序能对服务的正确操作进行监控。 在遇到通信问题时，使用预定义的“失效值”。以下是I/O扫描表的示例，同时附ST
12、语言编的drivecom启动流程。从站IP单元ID重复周期读主站地址读从站地址192.168.0.1060%MW1003201192.168.0.2060%MW1018604 表5 IO扫描表If START and ETA=16#250Then CMD:=16#0006;End_if;If ETA=16#231Then CMD:=16#0007;End_if;If forward=TRUE and ETA=16#233Then CMD=16#000FSTOP:=FALSE;End_if;If STOP=TRUE and ETA=1591Then CMD:=16#0007; FORWARD:=
13、FAlSE;End_if;5 结束语通过对premium PLC和ATV71变频器的调试，该运动控制系统已实现了远程通讯控制功能，并且运用于交大和施耐德共建实验室的演示，同时采用施耐德公司的XBTG触摸屏作为数据输入和监视设备，操作方便，运行可靠，维护容易。【参考文献】1 Schneider electric Corporation. ATV71变频器手册.2 Schneider electric Corporation. Unity pro manual.3 邓黎勇. ATV71与ATV61的MB+连接 苏州施耐德公司市场部.2006.7.4 陈伯时. 电力拖动自动控制系统.机电工业出版社 . 2005.7.5 乔新晓，贾智平，基于modbus TCP/IP的自动化监控系统. 工业应用技术与实现.6 Swales.A; Gray.C; Transparent factories through industrial internets. Electrical and Computer Engineering, 1999IEEE Canadian Conference on.
