在智能制造技术高速发展的今天，PLC 自动化控制技术起着至关重要的作用，特别是通过PLC 控制变频器技术应用最为广泛。本文以食品加工中配料控制系统为例，如果以常规的PLC 控制变频器的调速模式，则在食品加工的不同环节需要安装1 台PLC 控制、1 台变频器来满足控制加工需求。多台PLC 的控制，增加了硬件设备投入，如花生糖的加工环节，需要将花生、果仁、芝麻、糖浆等原料分开炒制，并且需要不同的搅拌速度，这就需要PLC 协调控制几台变频器，产生不同的转速完成。采用这一种网络通讯连接控制技术，既做到了加工工艺的统一协调，又避免了因增加PLC 投入造成硬件成本的增加。采用基于MODBUS /ＲTU 协议的通讯连接，可以实现PLC 对多台变频器的控制，不但节约了硬件投入成本，又具有集成化程度高、协调控制能力强、各硬件连接简单、易操作性等优点。这种控制功能与变频器功能相结合来实现，并可达到利用PLC 与变频器之间的通讯功能实现远程控制，同时增强了变频器对数据处理，还可方便实现故障报警等方面的功能。本文重点介绍利用MODBUS 通讯协议实现PLC 控制多台变频器运行系统的软件设置和硬件调试。

1 MODBUS 介绍

MODBUS 协议是由美国MODICON( 莫迪康) 公司推出的基于ＲS485 总线通讯协议。该协议是一种串行半双工通信协议，主要提供ASCLL 码和ＲTU 两种通信方式。ＲTU 的通信方式比ASCLL 码快，其标准物理接口为ＲS232 /ＲS422 /ＲS485，传输速率可以达到115 kbps。由于MODBUS 协议是完全公开透明的，所需的软、硬件又非常简单，它已成为一个通用工业标准，几乎所有的控制设备和智能化仪表都支持MODBUS 通信协议。通过此协议，可以将不同厂家的控制设备和智能化仪表连成一个工业控制网络，通过上位机进行集中控制。

2 MODBUS 通信方式

2．1 通信格式

1) ＲTU 通信方式的字符通信格式规定如下:1 个起始位; 8 个数据位; 1 个校验位，无校验位; 1 个停止位( 有校验时) ，2 个停止位( 无校验时) 。所以MODBUS ＲTU 通信格式就只能是8，E，1; 8，0，1和8，N，2 三种。

2) ＲTU 方式与ASCLL 方式除了通信格式有差别外，主要区别在于ASCLL 方式必须将16 进制符号转换为ASCLL码才能传送，而ＲTU 方式是直接按16 进制符合发送，不需要转换，所以ＲTU 通信方式比较快。

2．2 数据格式

MODBUS ＲTU 通信数据格式如图1 所示。

1) 地址码: 从站的地址( 8 位，2 位HEX 数) ，01H～FFH。

2) 功能码: 主站发送，告诉从站执行功能( 8 位，2 位HEX 数) ，01H～ FFH。

3) 数据区: 具体的数据内容( n × 8 位，2n 位HEX数) 。

4) 校验码: LＲC 校验码( 8 位，2 位HEX 数) ，检验码的范围为由地址开始到数据区结束，不包含起始码。由上可以发现，ＲTU 方式数据格式没有帧头和帧尾。MODBUS 通信协议ＲTU 方式规定，信息帧的发送至少要以3～ 5 个字符的时间间隔开始。网络设备在不断地侦测总线的停顿时间间隔，当第1 个字符( 地址码) 被收到后，每个设备都要进行解码判断是不是发给自己的。在最后1 个字符( 校验码) 被传送后，至少3 ～ 5 个字符的停顿才标志发送结束。如果2 个信息帧没有时间间隔，接收设备会认为第2 个信息帧是第1 个的延续，这将导致报错，不能达到准确进行数据信号传输功能。

3 MODBUS ＲTU 控制多台变频器

3．1 PLC 控制多台变频器系统构建

基于食品加工的控制要求，在加工中往往需要根据温度、时间、干湿程度等物理量来控制各种原料的加入时间和速度。由于这些物理量在工业控制中都是以模拟量的形式呈现，这就需要阀门、输送流水线、泵的开启程度和旋转速度实时地作出变化调整。传统的转速给定是由操作面板上的操作电位器的旋转给变频器一个0 ～ 10 V 的电流信号，或者利用其自带的控制端子组合出多段速进行控制，这种方式缺点是:

1) 各变频器运行参数无法准确在运行中实现;

2) 控制电位器操作按钮由于经常旋转操作频繁，使故障率增高，使用寿命下降;

3) 由于变频器一般安装在控制柜中，较难直接观测并获取面板上的频率信息;

4) 如果要改变其运行参数，需手动多次调试，自动化程度不高;

5) 多段速调节不能做到线性控制。因此，必需在控制方式上加以改进，构建如图2 所示的控制系统，通过触摸屏实现系统的PLC 控制，利用MODBUS 通讯实现用PLC 控制变频器运行，同时又能通过触摸屏监控变频器运行状态，这里不叙述模拟量的采集过程，直接将其读取到的数值用于控制变频器的频率。下面介绍如何利用MODBUS 通讯协议实现台达PLC 控制3台变频器运行系统( 控制多台原理类似) ，使得电动机转速、方向、转矩以及变频器运行参数等控制变得十分容易和精确。图2 为MODBUS 控制系统框图

3．2 PLC 控制多台变频器系统的硬件选取和连接

1) 系统硬件的选取和系统搭建

基于PLC 控制多台变频器系统的控制理论基础，选用台达PLC 为DVP－12SE 为控制上位机，选用3 台台达VFD004EL43A 变频器作为系统控制器，选用电动机作为系统的执行机构实现运动( 图3) 。

DVP－12SE 型PLC 是台达的SE 系列的网络主机，具有8 点输入、4 点输入出的I /O 接口，采用24 V 的电源供应和继电器输出方式。它除了具有快速执行逻辑运算、丰富指令集、多元扩展功能卡及高性价比等特点外，还支持多种通讯规范，使工业自动控制系统联成一个整体。台达变频器VFD004EL43A，适配电动机功率0.5 kW，额定电压三相AC460 V，内置滤波器，V/F 开环电流型控制方式，PWM 控制和EL 自动的加减功能。

2) 系统硬件通讯介质选择

选取ＲS485 串行通讯接口搭建传输通道，因为ＲS485 接口组成的半双工网络，一般只需要2 根连线，所以对ＲS485 接口连接并没有强制统一的规定，最初一般采用DB9 的9 芯插头座［5］。与智能终端连接，普通微机一般不配备ＲS485 接口，但工业控制微机基本上都进行了配置。

在变频器PLC 中，可用接线端子进行双绞线连接，也可用水晶头ＲJ45 或ＲJ11。因为双绞线使用广泛，接头制作方便，所以连接通信介质选定为双绞线。在连接时，PLC 侧通信接口为2 个压线端子( 图4) ; 在变频器侧为ＲJ45 接口，用到其中的4 号脚和5 号脚( 图5) ，选取好通讯介质与接口后将设备连接起来，设备之间的电源连接则要参照使用手册。

3．3 PLC 控制多台变频器的参数设置操作

在进行PLC 控制多台变频器系统的硬件选取和连接后，先在PLC 侧设定通讯格式与相关参数，然后在变频器侧设定通讯格式与相关参数，再设置确定发送与接收内容。只要满足正确的协议、接口、发送数据方式，便可以实现通信控制，这也是MODBUS 控制的方便与优点。本文规定双方通信格式为9600，8，N，2，即是通信的波特率9 600 bps，8 个数据位，无校验，2 个停止位。

1) PLC 侧的通讯参数设置

根据台达编程手册可知设置通信格式需要给D1120赋值，表1 为PLC 通讯参数设置表。根据表1 所给定的参数，需要设置b15－b0 为0000000010001001 换算为16进制为H89，将此值转送到D1120 中，并将PLC 侧的通信格式设置为9600，8，N，2。

2) 变频器侧的通讯参数设置

根据台达变频器手册( 表2) ，本文设置的运转命令来源于变频器参数2.01 为3、通讯地址参数9.0，一号变频器设置为1，二号变频器设置为2、通讯速率9.01 为1、通讯数据格式9.04 为3。由此保证了变频器通讯格式为9600，8，N，2。

3) 确定发送与接收内容

为了实现用PLC 控制正反转、停止、设置与监视当前频率，需要知道变频器的具体功能码( 表3) 。根据表3 以及MODBUS ＲTU 数据格式可知，如果要利用变频器控制电动机的正转就需要向变频器2000H 地址写入10010 及12H，变频器就会执行正方向启动的信号。这些控制程序还需要在PLC 里编写。

3．4 PLC 控制多台变频器控制程序的编写和调试

台达PLC 以及其他PLC 都开发有MODBUS 读写的方便指令，台达PLC 提供MODＲD 和MODWＲ 来实现数据的读写，具体格式如图6 所示。

基于MODＲD 和MODWＲ 指令，编制台达PLC 控制程序( 图7) 的步骤主要如下:

a) 设置变频器通讯格式: 将H89 存入D1120 中，即设置了PLC 的通讯格式为9600，8，N，2。

b) 设置变频器通讯协议: 通讯设定时要用到M1120即为保持用。PLC 在第1 次程序扫描后会根据特殊数据寄存器D1120 的设定，作通讯协议的重置。在第2 次程序扫描开始，当通讯指令执行的瞬间，都会先根据特殊数据寄存器D1120 的设定，作通讯协议的重置。若用户的通讯协议是固定的，可将M1120 设为ON，此时，每次通讯指令的执行便不再作通讯协议的重置，即使改变D1120 的设定，也不会改变通讯协议。

c) 设置变频器通讯模式: 将M1143 置ON，设定为ＲTU 模式。

d) 设置变频器数据传送: 数据传送用到M1122 即为送信要求。当用户要利用通讯指令将数据传送与接收，必须用脉冲指令将M1122 设为ON，若上述指令开始执行，则PLC 开始执行数据传送接收的动作。当数据传送完毕后会自动将M1122 清除。

e) 设置数据存储: 在进行控制时，PLC 要实时存储要传输的控制数据。当执行MODＲD 指令后，PLC 系统会自动将接收到的数据存入D1050－D1055 中。

f) 控制变频器运动方式: 当M1 置为ON，向1 号变频器2001H 地址里写入D1 里的值，实现改变变频器频率。

1) 当M2 置为ON，向1 号变频器的2000H 地址里写入值H1，实现变频器停止功能。

2) 当M3 置为ON，向1 号变频器的2000H 地址里写入值H12，实现变频器正转功能。

3) 当M4 置为ON，向1 号变频器的2000H 地址里写入值H22，实现变频器反转功能。

f) 变频器运动状态数据采集: 当M11 置为ON 向1 号变频器的发送2102H 并读取一笔数据，在将此数传送到D11 中，实现读取变频器频率功能。

g) 其它变频器的控制设置: 2、3 号变频器实现以上功能只需修改站号即可，这里就不再赘述。

4 MODBUS 控制通信技术应用

上文已阐述了基于MODBUS 通信方式下台达PLC 控制变频器的设计和硬件连接。利用传统的方式控制多台变频器达到线性调速相比利用MODBUS ＲTU 进行控制要复杂得多。而且MODBUS ＲTU 在硬件搭建上只需2 根导线在接口要求上也比较简单，而且大部分厂商的控制设备以及智能仪表都支持此协议，由于采用485 串行通讯接口传输距离最大为1 200 m，在1: N 主从方式中，ＲS485 的节点数是1 发32 收，即1 台PLC 可以带32 台通信装置，在软件上厂家对数据传输也开发的有方便指令，这大大地减少了编程难度。

5 结语

此次工业自动化的通信技术研究和应用，是基于MODBUS /ＲTU 协议以台达品牌的PLC 与多台变频器作为研究载体，对于其他自动化控制设备在这方面的应用有一定的参考价值。对于该系统的搭建通讯应用只是工业控制中的一部分，以此为基础，可开发出满足更多工业控制需求的系统，可构建信息化和工业化高度融合的现代工业控制系统。

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