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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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6GK7243-1GX00-0XE0货期较快
介绍了Modbus通信协议的特点，结合作者的实践经验,介绍基于MODBUS协议下工控机为主站,PLC及智能仪表为从站的通讯的实现方法.
一、引言:
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。基于PLC的控制系统多数情况下会以微机为主机,PLC为从机.完成对生产过程的自动控制，工艺参数的显示和修改.MODBUS RTU规约是目前国际上普遍采用的主流通讯协议之一.随着越来越多的企业开始向生产和管理的自动化转变,MODBUS得到了广泛的应用.
二、MODBUS RTU通讯协议简介:
MODBUS 是一种工业控制系统串行通信协议, 当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，它需要对数据进行校验，其中RTU模式采用16位CRC校验.当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信,在消息中的每个8bit字节包含两个4bit的十六进制字符.这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII码传送更多的数据.
三、电气接口:
本套系统采用RS-485作为电气接口.它具有干扰抑制性好、传输距离长、组网方便等特点,非常适合组成工业级的多机通信系统.网络采用总线型结构,半双工,终端加电阻.电缆选用带有金属网状屏蔽层的双绞线.它可以由于磁耦合引起的共模噪声,而金属屏蔽层可以阻断电容、电磁及高频磁耦合引起的噪声。另选用RS232/RS485转换器。通过转换器，我们就可以利用工控机的RS232串口，快速地开发基于RS485串口的上位机通信软件。
四、PLC程序设计:
本系统中的可编程控制器采用西门子S7-200系列.使用指令库中的MBUS_INIT和MBUS_SLAVE指令..以下是系统中用于PLC的通讯程序:
NETWORK 1 //**扫描时初始化Modbus从属协议
//将从站地址设为1，将端口0设为9600波特，将校验设为偶数， //允许存取所有的I、Q和AI数值，允许存取1000台保存寄存器(2000个字节) //从VB0开始。
LD SM0.1
CALL MBUS_INIT, 1, 1, 9600, 2, +0, +128, +32, +1000, &VB0, M0.1, MB1
NETWORK 2
//每次扫描时执行Modbus从属协议
LD SM0.0
CALL MBUS_SLAVE, M0.2, MB2
五、上位机通讯软件的设计方案：
1 初始化 为加快开发速度，上位机通讯软件的编程可以使用MSCOMM控件，用控件对通讯软件进行设定需要使用的串口地址、波特率、校验方式、数据缓冲区等初始化操作.
2 命令字发送 MODBUS规定完整的命令应由从机地址、功能码、数据段和校验码组成。命令字发送必须严格遵守该规定。计算机发送命令：[设备地址] [命令号01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]
3 下表是Modbus支持的功能码：
功能码 名称 作用
01 读取线圈状态 取得一组逻辑线圈的当前状态(ON/OFF)
02 读取输入状态 取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF)
03 读取保持寄存器 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值
04 读取输入寄存器 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值
05 强置单线圈 强置一个逻辑线圈的通断状态
06 预置单寄存器 把具体二进值装入一个保持寄存器
07 读取异常状态 取得8个内部线圈的通断状态，这8个线圈的地址由控制器决定
08 回送诊断校验 把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴
09 编程(只用于484) 使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑
10 控询(只用于484) 可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否已完成其操作任务，仅在含有功能码9的报文发送后，本功能码才发送
11 读取事件计数 可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是该命令或其他应答产生通信错误时
12 读取通信事件记录 可是主机检索每台从机的ModBus事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成，记录会给出有关错误
13 编程(184/384 484 584) 可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑
14 探询(184/384 484 584) 可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机是否已完成其程序操作，仅在含有功能13的报文发送后，本功能码才得发送
15 强置多线圈 强置一串连续逻辑线圈的通断
16 预置多寄存器 把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器
17 报告从机标识 可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态
18 (884和MICRO 84) 可使主机模拟编程功能，修改PC状态逻辑
19 重置通信链路 发生非可修改错误后，是从机复位于已知状态，可重置顺序字节
20 读取通用参数(584L) 显示扩展存储器文件中的数据信息
21 写入通用参数(584L) 把通用参数写入扩展存储文件，或修改之
在这些功能码中较长使用的是1、2、3、4、5、6号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。
4 下表是MODBUS地址映射到S7-200的地址：
MODBUS地址 S7-200地址 MODBUS地址 S7-200地址
000001 Q0.1 030001 AIW0
000002 Q0.2 030002 AIW2
000128 Q15.7 030032 AIW62
010001 I0.0 040001 VW0
010002 I0.1 040002 VW2
010128 I15.7 04xxxx VW2*(xxxx-1)
5 CRC校验:
CRC编码校验误码率较低，是一种比较可靠的检验方式。该校验码是通过数据序列对生成多项式进行二进制除法取余数得到的。采用CRC-16校验，生成的多项式为X16↑+ X15↑+ X2↑+ X1↑。
CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。
CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。
CRC 产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或(OR)，结果向较低有效位方向移动，较高有效位以0填充。LSB被提取出来，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(*8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。较终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。下面是它的VC代码：
WORD GetCheckCODe(const char * pSendBuf, int nEnd)//获得校验码
{
WORD wCrc = WORD(0xFFFF);
for(int i=0; i {
wCrc ^= WORD(BYTE(pSendBuf[i]));
for(int j=0; j<8; j++)
{
if(wCrc & 1)
{
wCrc >>= 1;
wCrc ^= 0xA001;
}
else
{
wCrc >>= 1;
}
}
}
return wCrc;
}
六、上位机与智能仪表的通讯：
上位机的通讯程序可参照上位机与PLC的通讯程序进行设计，注意将上位机的串口地址设为其它的地址(例如2)。在此不作过多介绍。
多台智能仪表作为MODBUS从站的网络，每个从站必须设为一的从站地址，并设定好波特率。仪表要遵循MODBUS规约的通信帧结构对上位机的命令进行解析。非呼叫对象要能及时重新恢复等待接受状态。响应呼叫的仪表要解析命令并进行相应的功能处理，对非法的命令要能回报报错信息。
七、 结束语：
该方法用于某污水处理厂。由于采用智能仪表使系统对PLC的要求以及布线成本都大大降低。监控程序的设计完全符合厂方的要求。另因其设备分散、成本要求苛刻的特点，充分利用RS485总线和现有成熟而规范的通信协议能较大限度地节约成本。实践表明，MODBUS具有开放性好、功能强、通讯效等特点。
文章采用 PLC和变频器实现电梯常规控制的基础上，利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、门区和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。
一、引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成;*二种控制方式用可编程控制器( PLC)取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择*二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高;而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
二、硬件电路
系统硬件结构图如图 1所示，其各部分功能说明如下。
Q1——三相电源断路器 K1——电源控制接触器 K2——负载电机通断控制接触器
VS——变频器 BU——制动单元 RB——能耗制动电阻 M——主拖动曳引电机
1、主电路 主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。由于采用交-直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。
2、 PLC控制电路 选用OMRON公司C系列60P型PLC。PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。
3、电流、速度双闭环电路 采用YASAKWA公司的VS-616G5 CIMRG5A 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环;通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
4、位移控制电路 电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经式(1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。
电梯位移 h=SI 式中 I——累计脉冲数 S——脉冲当量
S = p l D / (p r ) (1)
本系统采用的减速机，其减速比 l = 1/32，曳引轮直径D = 580mm，电机额定转速n ed = 1450r/min，旋转编码器每转对应的脉冲数p = 1024，PG卡分频比 r = 1/18，代入式(1)得S = 1.0mm/脉冲
三、程序设计
利用变频器PG卡输出端(TA2.1)将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端0000，构成位置反馈。高速计数器(CNT47)累加的脉冲数反映电梯的位置。高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层电和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在±1个脉冲当量范围。在考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达±5mm内，大大低于国标±15mm的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号5个子程序进行介绍。
1、楼层计数
本设计采用相对计数方式。运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应 17层电梯分别存入16个内存单元DM06 ~ DM21。
楼层计数器( CNT46)为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。楼层计数程序流程图如图2所示。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加 1，下行减1。为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
2、快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。程序流程图如图 3所示。中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
3、门区信号
当高速计数器 CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。程序流程图如图4所示。平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
4、脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入 PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
5、快速换速工作原理
限于篇幅，本文仅对快速换速工作原理进行介绍，梯形图如图 5所示。图中数据存储单元DM01为快速换速距离脉冲数，DM30为楼层间距脉冲数，DM31为快速换速点对应的脉冲数，DM34为高速换速比较区间下限，DM35为高速换速比较区间上限，HR01为快速换速点开始信号，1507为快速运行信号，1700为选层信号，0010为零速信号，0503为快速换速输出信号。
以上行为例， DM31快速换速点对应的脉冲数是楼层间距DM30与快速换速举例DM01之差;DM31和DM30的值分别赋给DM34和DM35。运行时高速计数器不断累加脉冲数，每个扫描周期计数器的值与DM34 ~ DM35区段进行比较。当其值进入DM34与DM35区段时，HR01置位，表示进入快速换速区间;若此时有选层信号且电梯为快速运行，则发快速换速信号(0503置ON)。
四、结论
本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台 17层电梯进行改造，经有关部门检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在±5mm以内，取得了良好的运行效果。
目前国内在桥式起重机上使用行星齿轮减速器的企业非常多，行星齿轮减速机的优点是可以解决两台电机转速不同步的问题。但是行星齿轮减速机在高速侧发生故障后，由于差速的关系，在低速侧容易发生溜钩现象，是非常危险的。本文着重介绍了在高速侧发生故障后，如何避免在低速侧发生溜钩事故的解决方案。
1 前言
可编程序逻辑控制器PLC产生于1969年，较初只具备逻辑控制、定时、计数等功能。英文名称为：PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLLER，简称PLC。随着现代电子工业的快速发展，在各个领域的应用越来越广泛，其性能指标也进一步完善，完全适应起重机等工作场所的需要。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算数运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。它代替了传统的硬接线的逻辑控制电路，实现了生产的自动控制。
本文中所涉及的是西门子S7系列PLC，它的特点是体积小、功能强、时间相应快、控制精度高、可靠性好、控制精度可以随工艺而改变同时具有较大的灵活性和可扩展性，因此被广泛应用到机械制造、冶金、交通、电子纺织、印刷等工业领域，作为通用的自动控制设备，它既可以用于单一机电设备的控制，也可用于工艺流程的控制。它易与计算机连接，维修方便，这是传统的继电控制系统远远比不上的。
2 行星齿轮减速机
2.1行星齿轮减速机的工作原理
行星齿轮减速机的齿轮，它们的转动轴线是不固定的，而是安装在一个可以转动的支架上，行星齿轮除了能象定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴转动之外，它们的转动轴还随着支架(称为行星架)绕其它齿轮的轴线转动。绕自己轴线的转动称为"自转"，绕其它齿轮轴线的转动称为"公转"，就象太阳系中的行星那样，因此得名。
也如太阳系一样，成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮"， 在一个行星齿轮上、或者在两个互相固定连接的行星齿轮上通常有两个啮合点，分别与两个太阳轮发生关系。内齿轮轴线与外齿轮轴线重合，也是太阳轮。
2.2行星齿轮减速机的缺点
由于一套行星齿轮无法满足较大的传动比，有时需要二套或三套来满足用户对较大传动比的要求。由于增加了行星齿轮的数量，所以二级或三机减速级的长度会有所增加，效率会有所下降。另外，由于行星齿轮减速机安装有差速器，如果是多台电动机驱动，它可以调节每台电动机在转速上转速差，保输出的稳定。但是由于差速的原因，当高速侧发生故障后，低速侧就完全失去了控制，因为制动器是安装在高速侧，这是相当危险的，如果这时起重机正在吊运重物，那么重物就会在没有任何保护和制动的情况下，坠落到地面。
由于行星齿轮减速机存在的这些缺点，对企业安全生产的影响是非常大的，因此，必须针对它存在的问题，采取必要的措施，以保证企业的安全生产。我厂所属的几部80T以上的大吨位起重机，其起升系统均采用的是行星齿轮减速机，作业任务是吊运液体金属，对其安全性要求相当高，因此国家要求在吊运液体金属的、属于行星齿轮减速机的起重机上安装利用PLC控制的安全制动系统。
3 解决方案
3.1方案原理
采用可编程控制器及编码器采集电动机和卷筒上的转速信号，通过内部程序进行计算，推导出系统目前是否工作在正常状态，
并做出相应的判断。如果出现机械方面故障，首先切断起升机构的电源;同时发出指令，通知卷筒上的液压盘式制动器动作，迅速对卷筒进行制动，来避免安全事故的发生。
3.2工作原理
首先，选择一个(1#卷筒)卷筒的编码器信号作为基准，每当采集到80个脉冲信号，便将此信号同其他编码器采集到的信号进行比较。如果没有误差或错误，则重新开始下一次计数与比较，如果发现存在误差或错误，就会发出动作信号，控制液压制动器动作将低速的卷筒抱死。
1#卷筒如果 采集并发出80个脉冲信号，那么对应2#卷筒也应该是80个脉冲信号，我们考虑到机械传动中存在的误差，所以给出了故障动作的信号范围是：≤60或者 ≥100,即采集信号正常的范围是在60～100个脉冲之间。1#、2#卷筒之间做比较，如果这时两个卷筒有一个发生了故障，则脉冲信号的这个对应关系便会被打破，制动器就会动作保护。
同时，卷筒和电机的脉冲信号也在做比较，比较计算的数值为：80个脉冲×173.5=13880个脉冲(注：173.5是减速机减速比)。这是为了高速侧的信号，当高速输入出现断轴等故障时，也会打破脉冲信号的对应关系，制动器也会动作保护。同样考虑到机械传动中存在的误差，我们给定的范围是：≤12000或者≥15000，即高速侧的脉冲工作的正常范围是：12000～15000。
由于采集的数据比较小，经过我们的计算，得出：若以1#卷筒为基准，当高速侧发生故障时，反映到卷筒钢丝绳上的长度仅有40cm，可以看出机构的动作是灵敏可靠的。
3.3硬件组成
该系统的硬件组成分为机械部分和电气部分。其中机械部分包括：液压系统、液压盘式制动器、油路等组成; 电气部分包括：西门子S7-200 PLC、差分脉冲编码器、电气控制箱、编程用笔记本电脑、屏蔽电缆线等
3.4安装及维护
由于该系统的特殊作用，因此在安装时要特别的仔细，特别是编码器和油路方面的安装。编码器一共有四个，分别安装在两个卷筒和两台电机上，安装时一定要将编码器固定牢固，否则将会对数据的传输造成很大的影响，另外，在和卷筒与电机的轴连接时要注意，轴的中心要尽可能的在一条直线上，如果安装不好会造成编码器的损坏以及信号传输的错误。其次，在冶金企业里面，环境比较恶劣，所有的电气设备一定做好防尘工作。
安全制动器是为了在机械传动故障时，防止起重机发生事故的最后一道防线，因此维护工作是相当重要的，重点应注意以下几点：
设备的卫生状况要良好;
检查编码器的工作是否正常;
PLC的输入输出指示灯，工作良好;
人为的制造故障，安全制动器是否可以起到保护作用。
所有的油路和油管连接必须牢固，密封良好。
4 结束语
我们利用了的一段时间在我厂80T以上的起重机上，凡是起升机构是行星齿轮减速机的起重机，全部安装了液压盘式的安全制动器。经过了几年时间的运行，除了个别车辆由于参数设置的不太准确发生了几次误动作以外，其他车辆均运行良好，为企业的安全生产奠定了良好的基础。