关于S7_200利用MODBUS协议在造纸行业领域中的应用　

一、引言

　　中小型抄纸机一般由网部、压榨部、烘干部、压光机、卷纸机等几部分构成，多点分部控制。为了构建模型，我们暂时不考虑有主从控制的分部，只是有这五个传动点。我们选用了ACS800变频器(带有RMBA-01 MODBUS通讯模块)。由于其行业的特殊性，各分部要求有分点启动、停止、绷紧、爬行/运行、速度微升、速度微降等操作功能，系统有总速度给定、急停等操作要求，各分部速度同步控制，由此我们采用了SIEMENS S7_200系列S7_224XP型PLC进行中心控制，S7_224XP集成有14路DI/10路DO，可采集现场的指令请求，集成有两个通讯口，可利用POT0或POT1采用自由口通讯与ACS800建立MODBUS连接。PLC接收到现场指令后进行程序化处理，然后采用通讯的方式进行控制变频器的运行状态。

二、硬件设置

1、 采集现场指令请求
由于各分部的操作功能基本相同，启动、停止、绷紧、速度微升、速度微降等操作功能我们可以用译码的方式进行采集。因为网部是第一点分部，其微升微降可作总速度升降处理，急停等其它功能可单独采集，PLC侧定义如图1，DI不够可加扩展DI模块

　　输入点定义：I0.0为启动功能线，I0.1为停止功能线，I0.2为速度微升功能线，I0.3为速度微降功能线，I0.4为绷紧功能线，I0.5为网部功能线，I0.6为压榨部功能线，I0.7为烘缸部功能线，I1.0为压光部功能线，I1.1为卷纸部功能线，I1.2为网部爬行/运行请求，I1.3为压榨部爬行/运行请求，I1.4为烘缸部爬行/运行请求，I1.5为压光部爬行/运行请求，I1.6为急停请求，其它为备用DI点。
操作台按钮定义：爬行/运行为二位置旋钮，急停为自锁蘑菇头按钮，其它为双连按钮.

　　PLC以译码方式采集现场指令请求时，可大大减少实际使用的DI数量，这样可减少设计成本而且比较实用。

2、 通讯口设置
（1） PLC侧
　　CPU224XP集成有两个通讯口（PORT0与PORT1）,我们可采用其中之一与变频器进行通讯，选定好了通讯口，在程序里也要作相应的定义（在下面的章节中会有介绍）。其物理接口如图1、表1所示：

              图1

                 表1、通讯口引脚定义

在通讯硬件连接时，可使用引脚3、8作为信号线，引脚5或通讯口的外壳作为逻辑地。

（2） 变频器侧
ACS800变频器与CPU224XP采用MODBUS进行通讯时，可选用MODBUS通讯模块，型号为RMBA-01,其物理接口如图2，表2所示
 

                                    图2

              表2、通讯口引脚定义

（3） CPU224与ACS800之间的通讯连接
连接时可使用屏蔽双绞线，总线两端必须连接终端电阻。接线方式如图3所示
 

                      图3

（4） 终端电阻设置
PLC侧如图4进行连接，卷纸部只是把RMBA-01上面的终端开关（S1）打倒ON上即可
  

                  图4

三、软件设计

1、 设计思路
由以上章节我们看到，由于抄纸机传动的特殊性，每一个分部都有启动、停止、速度微调、绷紧、爬行/运行等要求，我们要控制的对象是每一台变频器的控制字和速度指令。首先采集现场的逻辑指令，利用PLC的逻辑处理，通过通讯的方式发到每一台变频器来进行控制。
（1） 每一台变频器必须在爬行位置进行启动（变频器在爬行时以较低的速度进行运行），保证其启动时的安全性。当启动完毕后，可让其在运行位置进行运行。
（2） 为了保证传动的同步性，程序里应当有速度链处理程序，当前一个分部速度有所变化时，后续的分部也要做出相应的动作。
（3） 纸张经过网部、压榨部、烘缸部、压光部等，最后到卷纸部，每个环节纸张的伸缩成度有所不同，不同克重的纸张也有所不同，每一个分部都应该有速度比例的调整，以适应纸张的伸缩过程。
（4） 在引纸过程中，纸张一开始比较松弛，程序里应当有绷紧处理程序，适应由松到紧的过程。
（5） 在运行过程中，应实时监控变频器的运行状态，当变频器出现故障时，可作出相应的处理。同时监控实时速度和实时电流，以备所需。
（6） 当设备运转时出现重大事故时，应有急停处理程序，以减少损失。
2、 了解MODBUS协议
MODBUS协议是一种串行主/从协议。控制器之间使用主/从技术通讯，这里仅有一台设备（主机）可以请求数据交换（叫做“查询”），其它设备（从机）以向主机提供数据或执行主机的查询命令的方式对主机作出响应。
MODBUS协议定义了查询消息的格式和从机响应的格式。主机查询消息包括地址、功能代码、数据以及错误校验。从机响应消息包括地址、功能代码、数据及错误校验。如果从机在接收消息时出错或是从机不能执行接收的命令，它将生成一个错误消息并作为响应发给主机。其过程如图5所示：
 

                                    图5

MODBUS网络允许控制器设置两种不同的传输模式，ASCII模式或RTU模式。当把控制器设为RTU模式时，每一个8位字节用2个4位16进制字符表示。这种模式的主要优点是，在相同的波特率下，能提供比ASCII模式更大的数据吞吐量。每一贞消息必须连续传输。RTU模式中每个字节的格式为：
码制： 8位二进制，16进制0-9，A-F，每一个8位字节用两个16进制字符表示。
每字节的位数：1个起始位
8个数据位，低位在前
1个校验位（奇，偶）
1个停止位（有校验位时）或两个停止位（无校验位时）
错误校验： 循环冗余校验（CRC）

3、 ACS800变频器的参数设置
（1） 首先确定电机参数，以及做自适应处理，99组参数。
（2） 启动RMBA-01 MODBUS模块，参数98.02=STD MODBUS。
（3） 定义通讯地址，参数52.01=N，网部 N=1, 压榨部 N=2, 烘缸部 N=3, 压光部 N=4, 卷纸部 N=5。
（4） 定义通讯速率，参数52.02=9600。
（5） 定义校验方式，参数52.03=EVEN。
（6） 定义启动/停止/方向，参数10.01=COMM.CW，参数10.03=REQUEST。
（7） 定义速度参考，参数11.02=COMM.CW。
（8） 定义通讯超时，参数30.18=NO。
（9） 定义接收数据集，参数90.04=81,参数90.05=83。
（10） 定义发送数据集，参数92.01=状态字（默认），92.02=1.02（实际速度），92.03=1.04（实际电流）。
4、 程序设计
（1） PLC内存地址分配
传动点分配
由于各个分部的传动要求基本相同，我们可以建立公用数据块，以增加程序的可读性，公用数据块如表3所示：
 

每个分部我们建立与公用数据块相对应的内存地址，网部：VW1100~VW1148,压榨部：VW1200~VW1248,烘缸部：VW1300~VW1348,压光部：VW1400~VW1448,卷纸部VW1500~VW1548,每个分部各有50个字节。

（2）程序组态
程序流程图如图6所示：

四：结论

经实践经验所得，这种方案在纸机应用方面比较经济适用，操作简单，维护量小，节约成本，提高了设备的性能。缺点是不适合大型高速纸机。