基于Modbus协议的PLC与变频器通信控制研究与实现

张顺星，梁小宜

(1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000;2.麦克传感器有限公司，陕西 宝鸡 721006)

0 引言

在工业现场中，使用PLC对变频器进行调速控制通常有以下几种方法:(1)使用PLC的数字量输出控制变频器的逻辑输入，通过变频器逻辑输入的组合，实现电动机的启动、停止等控制及预设的多段速度频率给定，适用于几段固定频率运行的场合［1］。(2)使用PLC的模拟量输出D/A模块，接入变频器的模拟量输入端作为频率给定信号，实现电动机转速的连续控制。(3)使用通信的方式，通过串行通信总线，将PLC与变频器组成通信网络，可实现变频器的远程控制及监视运行状态的功能。综合比较，使用通信的方式对变频器进行控制与监视，不仅具有节省模拟量A/D、D/A模块，线路简单，不占用PLC I/O端口的特点，而且可以实现高精度、高稳定性的变频调速系统，配合上位机或触摸屏，还可获取变频器的各种运行状态参数，如运行频率、电流、电压等。

使用通信的方式实现PLC对变频器的有效控制及状态监视，关键是要掌握PLC和变频器之间的通信协议。本文以欧姆龙CP1E-NA型PLC和欧姆龙3G3MX2变频器为例，详细研究了PLC与变频器连接、Modbus协议信息构成及PLC功能编程等，实现PLC通过Modbus协议对变频器进行控制及状态监视。

1 系统构成

PLC通过Modbus协议控制变频器系统结构如图1所示，系统使用一台欧姆龙 CP1E-NA型 PLC作为 Modbus主站，使用Modbus-RTU协议控制两台欧姆龙3G3MX2变频器，每台变频器分别驱动一台电动机，变频器作为Modbus从站。

图1 PLC与变频器的Modbus通信示意图

CP1E-NA型PLC是欧姆龙的小型应用型PLC，功能强大，性价比高，安装RS-422A/485选件板，将其配置为RS-485通信方式，可以构成 Modbus通信总线，最多可以控制247台变频器。

3G3MX2变频器是欧姆龙的紧凑型高功能小型变频器，支持无传感器矢量控制和带速度反馈的V/F控制，内置RS485通信口支持Modbus协议。

2 变频器与PLC连接及参数设置

CP1E-NA型PLC的CPU单元上有两个串行端口:串口1、串口2，其中串口1为内置的RS-232C接口，串口2可使用RS-422A/485选件板CP1W-CIF11配置为RS-485接口［2］。

RS-422A/485选件板有五个接线端子，分别是RDA-、RDB+、SDA-、SDB+、FG，既可以接成RS-422A全双工通信方式，也可以接成RS-485半双工通信方式。当使用RS-485通信方式时，选件板背部6个DIP开关SW1-SW6应分别设置为，SW2、SW3、SW5、SW6设置为 ON，SW4设置为 OFF，SW1控制终端电阻开关。为使RS485通信保持稳定，应将总线末端变频器终端电阻切换开关拨到ON的位置。

PLC与变频器连接时，使用双绞屏蔽电缆连接CP1W-CIF11和3G3MX2变频器，电缆的一端接在选件板CP1W-CIF11的SDA-、SDB+端子，另一端接3G3MX2变频器控制电路端子块的RS-、RS+端子上，如图2所示，当有多台变频器进行连接时，只需将后续变频器的RS-、RS+端子与第一台变频器的RS-、RS+端子并联即可［3］。

图2 PLC与变频器的连接

使用操作面板对变频器按照表1设置通信参数。

表1 变频器参数设置

3 Modbus协议信息构成

Modbus协议是目前应用于现场控制器上最广泛的一种通用协议，已经成为一种通用工业标准，使得不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络进行集中监控［4］。

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PDU(Protocol Date Unit)［5］。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，串行链路上的Modbus帧，如图3所示。

从主站发送至从站的指令信息叫做“请求”，从站对此的回复信息叫做“应答”。Modbus协议请求与应答的传送格式如表2所示。

图3 串行链路上的Modbus帧

表2 Modbus协议请求与应答的传送格式

在CP1E-NA型PLC的数据存储区DM中，分配了固定的存储空间用于进行Modbus-RTU通信。当使用串行选件端口进行通信时，D1300-D1349存储的是“请求”指令的信息，其中D1300表示从站变频器地址，D1301表示功能代码，D1302表示通信数据字节数，D1303-D1349表示具体的请求通信数据;D1350-D1399存储的是“应答”指令的信息，其中D1350表示从站变频器地址，D1351表示功能代码，D1352表示通信错误代码，D1353表示应答的字节数，D1354-D1399表示具体的应答通信数据。

因此，在数据存储区DM中的D1300-D1349中保存的是要发送给变频器的Modbus-RTU命令。当串行选件端口的通信使能位A641.00由0→1时，Modbus-RTU命令自动发出，变频器返回的应答保存在D1250～D1299中。

PLC执行Modbus-RTU命令时，使用“功能码”来指定变频器执行的功能［6］。用到的部分功能码如表3所示。

表3 Modbus协议部分功能码

4 控制系统程序设计

4.1 PLC通信端口设置

打开欧姆龙PLC编程软件CX-Programmer，在左侧工程目录下，双击在PLC工程中的“设置”图标，打开“串行选项端口”标签页，进行PLC通信参数设置。具体参数设置为，通信设置:定制;波特率:9600;格式:8，1，E;模式:Modbus-RTU 简易主站［7］。

4.2 PLC控制变频器运行、停止

在3G3MX2变频器Modbus-RTU通信的位地址中，“运行指令”对应的位编号为0001h，该位状态设置为1时，变频器运行;设置为0时，变频器停止。因此，可以通过Modbus通信功能码05h(写入位地址)改变位编号0001h的状态来控制变频器运行和停止，程序设计流程图如图4所示。当启停开关接通时，变频器开始运行;当启停开关断开时，变频器停止运行。

图4 PLC控制变频器运行、停止程序设计流程图

4.3 PLC对变频器进行频率给定及状态监控

在3G3MX2变频器Modbus-RTU通信的寄存器地址中，“输出频率设定”对应的寄存器编号为0001 h:(F001 HIGH)高位和0002 h:(F001 LOW)低位，当变频器输出频率小于655.35 Hz时，可只是用0002 h:(F001 LOW)低位。通过Modbus通信功能码06 h(写入寄存器)改变寄存器编号0002 h的数值来控制变频器输出频率，程序设计流程图如图5所示。当频率给定信号接通时，变频器按照10 Hz运行。

当使用PLC对变频器进行运行状态监控时，只需要使用功能码03 h(读取寄存器的内容)，读取对应的寄存器地址即可，如监控变频器输出电流，只需要读取寄存器1 003 h即可。

图5 PLC对变频器进行频率给定程序设计流程图

5 结束语

本文详细讨论了使用Modbus通信的方式实现PLC对变频器进行有效控制及状态监视的方法，该方法已通过现场调试，在光伏玻璃生产线中得到了现场应用。实际运行表明该系统具有性价比高，线路简单，控制性能指标良好、可靠的特点。

［1］黄金凤，张进，李占贤，等.PLC与变频器间的通信实现［J］.工矿自动化，2007，35(5):95-97.

［2］王冬青.欧姆龙CP1系列PLC原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［3］徐世许，王凤杰，纪志坚.使用通信协议宏实现PLC对变频器的监控［J］.自动化仪表，2007，28(1):37-39.

［4］田二亮，李蓓智，杨建国，等.基于Modbus的高速电主轴监控方案实现［J］.制造业自动化，2014，36(4):142-144.

［5］黄建军，陈西曲.基于Modbus TCP/IP通信的研究与实现［J］.信息技术，2014，38(5):162-164.

［6］欧姆龙自动化(中国)有限公司公司.MX2系列3G3MX2多功能小型变频器用户手册［K］.2010.

［7］戴一平.可编程序控制器技术训练与拓展［M］.北京:机械工业出版社，2011.