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再论Modbus RTU能否成为绝对值编码器与PLC连接的标准通用接口

再论Modbus RTU能否成为绝对值编码器与PLC连接的标准通用接口

2020/9/23 16:28:22

2018年的时候写过一篇文章讨论modbusRTU是否可以成为PLC与绝对值编码器连接的标准通用接口,当时发表在西门子技术论坛,迎来了西门子老法师们的冷嘲热讽,认为在当下怎么还在用这么老的接口协议来说,很快2年时间过去了市场的反映如何呢?我们看到的是越来多的PLC厂家开始宣传他们的modbus接口相关的产品,甚至西门子也开始宣传他的200smart是可以连modbusRTU的,各种各样的PLC技术文章开始宣传modbus的指令集,可见在现在的经济背景下,modbusRTU因为其经济性、实用性、稳定性被广大用户所接受,它不是最先进的技术 但是确是最流行的,现在的modbusRTU是真香呀!

 

客户案例DP和PN编码器更换modbus RTU编码器

用户南京泽楚科技有限公司在做南京钢厂起重机安全监控改造项目时,当时采用的是西门子S7-300的PLC,由于西门子300的PLC带有profibus-DP口,所以选用了我们DP的多圈编码器,在起重机安全监控系统中编码器起的作用是测量大车长度距离、小车跨度和起升高度,这些数据可以在中央控制室远程看到并且保存,而起重安全监控系统要求编码器数据的实时性不能出错,尤其是冶金起重机的安全监控系统是直接和安全相关的马虎不得,必须保证数据的准确性,所以必须选用机械多圈的绝对值编码器,客户在后续项目进行过程中,由于西门子PLC由S7-300转向1200和1500,而带有profibus-DP接口只有1500系列高端的1517才有,价格昂贵不适合在安全监控系统这样的产品上使用,所以用户寻求更加经济的1200或者200smartPLC,200smart 带有RS485口兼容modbus RTU协议,1200PLC可以加面板模块扩展RS485口,同时PLC编程软件里modbusRTU的指令集可以调用,很方便可以读取到编码器数据,因为起重安全监控系统是检测行车的行走距离,行车运行速度不快,但是对数据的准确性要求很高,综合以上多种因素:PLC成本、通讯接口、编程便利性以及编码器数据的稳定和准确性,用户最终选用GMX60系列的modbusRTU输出的绝对值多圈编码器,目前在南京钢厂起重安全监控改造的后续项目中,已经陆续安装上了modbusRTU的机械多圈绝对值编码器,编码器在钢厂的起重机上运行平稳 数据准确,另外还适应钢厂的高温 潮湿环境。

 

用户上海昂丰装备有限公司同样是起重设备的生产企业,在他们的起重控制系统上用了Profinet的绝对值编码器,控制系统是西门子1500,但是选用Profinet的系统使得产品成本居高不下,他们的技术总工研究了起重行业对于编码器数据采集的要求决定采用modbusRTU的机械多圈绝对值编码器,Profinet作为工业以太网总线但实际用法还是工业总线的用法,习惯上依然是一个PLC作为主站 然后多个编码器作为从站,所不同的是通过IP地址来识别编码器,而在实际使用过程中线材的成本 交换机的成本也很高,所以选用modbus RTU机械多圈绝对值编码器在满足了起重行业对于数据采集的要求下又兼顾了低成本运行,这是上海这家起重生产企业技术总工所关心的内容。

关于modbusRTU 和 Profinet;profibus-DP的对比如下:

1、线材的对比

Modbus RTU所采用的线材:一般场合采用双绞线就可以了,在要求比较高的环境下采用带屏蔽的双绞电缆即可,RS485采用两线制接线方式,即2根信号线另外2根电源线,4芯的线就可以用了。电缆的长度与数据信号传输的波特率成反比,理论上的传输距离能到达1200米,具体长度受周围环境影响。价格在京东上可查4芯双绞屏蔽线0.75mm在4-7元/米的价格区间内。

Profibus-DP总线电缆:西门子型号为6XV1830-0EH10,导体是1*0.64mm裸铜丝,屏蔽层铝塑带+镀锡铜丝编制,护套PVC,要求特性阻抗150Ω;直流电阻57.5Ω/km,工作温度-30℃到70℃之间。单线传输距离1000米加中继器可达10000米。大多国产品牌DP电缆价格在6-12元/米区间,质量良莠不齐,西门子原装价格较贵。

profinet 通讯线缆:PROFINET是基于工业以太网技术的网络,传输介质为常见的五类线或超五类线。西门子型号为6XV1840-2AH10,Profinet网线又分TYPE A/B/C,TYPE A为固定布线,TYPE B为偶尔移动布线,TYPE C为移动布线一般适用于机器人,要求特性阻抗100Ω,导体直流电阻≤60Ω/km,导体为绞合镀锡铜4芯,颜色白、黄、蓝、橘。尽管国内也有做Profinet的网线价格在10元左右,很多人理解为五类线或超五类线,但在实际的现场应用中,普通网线不能用,国产的所谓符合Profinet标准的网线在某些环境下传输不稳定,客户还是会被要求用西门子原装网线,目前西门子原装网线价格不菲。同时还要配上西门子专用的RJ45接头或者M12的插针接头,同样也是一笔支出。

2、能连接编码器的个数

Modbus RTU:MODBUS协议规定的从机地址范围为1-247。由于网络中只有1个主站,从站数量太多时,轮询一遍耗时较长,基于485芯片的驱动能力有关,一般可以连32个,modbus RTU编码器一般4个以内比较稳定,4个以上速度慢,如果要参与实时控制的 每一路485口上连4只编码器就可以了,如果数量还要多,就要考虑增加485接口还要考虑CPU处理速度。

Profibus-DP:Profibus-DP主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信,Profibus支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。主站为中央可编程处理器如PLC,从站为分布式IO、支持DP接口的传动装置、支持从站功能的通讯处理器、支持DP接口输入输出的智能设备如绝对值编码器,Profibus使用两端有终端的总线拓扑结构,在运行期间接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作,传输特点依据RS485半双工异步NRZ传输,波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s,波特率和距离成反比,距离越长波特率越低,每条总线区段可连接32个设备,最多允许127个站。所有信息的传输按海明距离HD=4进行,DP从站带看门狗定时器,对DP从站的输入输出进行存取保护,DP主站上带可变数据控制定时器,对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中,如数据传输发生差错,定时器就会超时。一旦发生超时,用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”,主站将脱离操作状态,并将所有关联从站的输出置于故障安全状态。

Profinet:关于profinet的组网手册说最多支持8个开放式用户通讯(主动或被动)的连接,8个开放式连接是指同时8个连接,可以通过编程实现多个通讯,具体得根据中央处理器版本,比如S7-1200 从固件版本 V3.0起支持16个PROFINET IO设备,最多256个子模块。PROFINET网络中的每个模组都有以下的三个位址:MAC位址、IP地址、设备名称(是在整个网络组态中对模组定义的逻辑名称)。由于PROFINET使用TCP/IP,会用到MAC位址及IP地址,但若一设备更换为其他设备,其MAC地址会变动,而IP地址是动态定址下的结果,为了让网络上的某一设备有固定的名称,因此会使用设备名称。

在profinet的组网中必须要提到交换机,在PROFINET IO网络中,数据资料的传送分实时RT(real time)和等时IRT(isochronous real time),PROFINET的实时是依IEEE及IEC的定义,在一个网络周期内允许在有限的时间内处理实时的服务。实时通讯是PROFINET IO资料交换的基础。在处理时,实时资料的优先权比TCP/IP资料要高。PROFINET RT是分散式周边实时通讯的基础,一般资料交换的总线循环时间约在数百微秒以内。绝对值编码器采用实时(RT)通讯功能,对交换机的处理数据要求还是比较高的,对于一般的交换机在处理速度上跟不上,容易造成数据丢包,交换机必须要求支持RT实时通讯功能,如果采用了非RT通讯功能的交换机,由于不能及时处理profinet报文里面的优先等级,会造成实时数据丢失引起错误,有时会对profinet报文的优先等级误读造成报警。尔采用实时(RT)通讯功能的交换机必须采用西门子的工业芯片,所以这类的交换机价格较高,工业交换机第一阵营比如HMS、SIEMENS、MOSA,数据传输稳定但是价格较贵,第二阵营比较多典型如菲尼克斯,但是要选择支持RT的,价格区间在3000元到5000元不等,千万不要采用民用级的交换机,我在现场看到过用华为的,那个是不行的是传送视频监控信号,对于编码器实时信号的不能贪便宜用。另外profinet是西门子保护的一个产品,技术对于其他厂家相对保密,除非用西门子自己的交换机,有时即使用第一阵营的交换机也会出现数据丢包的现象。

3、PLC和编码器通讯的便利性的对比

Modbus RTU:以西门子200smart为例,需要编程在程序中插入modbus指令库,然后再设置相应的参数,比如波特率和寄存器地址等等。

Profinet和profibus-DP:通过组态的方式读取到编码器数据,以GSD文件方式将产品的功能参数(如I/O点数.诊断信息.波特率.时间监视等)储存起来,使用根据GSD所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。

对于初学者来说两者难度差不多,对于的熟悉PLC的工程师来说Profinet和profibus-DP组态相对容易些。

客户案例:增量型编码器换modbus RTU多圈绝对值编码器

用户上海国塑实业是做塑料加工专用设备的厂家,在他们的一套型材的压延机系统中,辊子需要调整2边的高度,根据材质和工艺不同辊子2边的高度是可以调整的,编码器是安装在一套螺旋升降机上,安装的位置有点类似于蜗杆减速机,需要编码器直接把辊子高度的位置信息传送给PLC实现控制的功能,原来的方案是用一边用一只增量型编码器来做,但是客户在使用过程中发现增量编码器的几个问题1、定位不准,容易丢脉冲,2、由于是两边同步,对定位要求更高,如果是增量编码器调试要花较多时间,3、故障停机后编码器必须回零点重启;综合上述问题所以客户希望用多圈绝对值的编码器,PLC系统采用是西门子200smart,用增量编码器时采用的是2路高速计数口,由于200smart PLC带1路RS485口可以支持modbusRTU协议,所以用户选择了2只GMX60系列的机械多圈绝对值编码器modbusRTU通讯的,通过地址形式在一路Rs485口上读取2只编码器的数据,modbus的波特率可以调整,由于传输距离不远调整为115200,编码器带有校验码功能,客户使用了校验码验证收到的数据,以保证绝对值数值的准确性,由于设备运行速度不快,客户关注的是数据的准确性以及运行成本,而我们的机械多圈技术满足了客户数据准确和同步的功能,由于是全行程绝对值即使是故障停车也能立即启动,modbus的通讯协议保证了通讯的稳定性及数据的可靠传输,在整个系统运行中编码器没有受到变频等其他大功率电气工作时的干扰,另外大大缩短用户调试的时间,所有参数调整都是在触摸屏上完成,不用去调整现场的机械位置,绝对值编码器自带的数据置位功能,只要完成机械安装后置位就可以了,而且位置值是不会改变的,这套系统相比增量编码器的另一个好处其实是省成本的,除去调试成本不说,至少少了2个作为增量编码器起始点的机械开关或光电开关,还有增量编码器为了抗干扰而采取的一些保护措施,客户之前为了保证使用效果采购的进口增量编码器,本身成本也不低,而采用我们国产的机械多圈绝对值编码器,编码器成本只增加一点点,但是达到的效果确实大不同,所以综合来说成本是降低的。

在目前这样的编码器应用的案例中,绝大部分是采用的是PLC上的高速计数器与增量脉冲编码器的连接方式,一方面是增量编码器相对低的价格,另方面是PLC上普遍集成了增量脉冲信号接收端所需的高速计数器,使用者几乎不需要再考虑高速计数器的成本。

但是随着设备上需要编码器的数量越来越多,效率要求也越来越高,当现场需要连接更多增量编码器时,编码器的高速计数器接口又不够用了,需要另外购买价格不菲的PLC高速计数器模块。另外,控制系统外围电气设备越来越多,又增加了脉冲信号各种被干扰的可能性,各种干扰乘虚而入,使得增量脉冲信号、信号传输电缆、高速计数器的抗干扰问题成了现场技术人员最头痛敏感,又突出的要多花出很多时间去解决的问题。那些大品牌PLC的技术服务人员也在反反复复强调现场EMC与接地,要做好脉冲信号抗干扰的重要性,可见干扰之头痛。很多的现场调试时间与差旅成本在这里也大大增加了。使用增量编码器的配置成本与现场成本已大大提升。增量编码器还有一个大问题,因停电或干扰的位置丢失,另需要搭配一个原点开关,每次开机找零位。

又例如用户九牛农牧机械在农业机械自动化中有需要多个设备的前后同步与协调工作,既有液压油缸也有电机,这些设备需要同步协调的运行,才能有高效而又不会忙中出错。双液压油缸同步、液压油缸与电机的同步控制需要增加辅助编码器做各个位置比较,以此来比较位置差并做PID调整。我们选择了modbus RTU信号输出的绝对值多圈编码器,可以分地址接入同一个PLC控制器,给各个运动液压缸和电机之间做位置比较后的同步与联动协调。PLC采用西门子的S7-200smart带有RS485通讯口并有modbus RTU 的标准协议预置。这种双路同步及多路联动,在饲料加工等农业自动化机械中主要是各种升降举升后的连续动作,举升平衡是用双液压油缸或者双吊点双电机的同步控制,并且有连续位置与其它运动动作联动。

绝对值编码器能比增量编码器更抗干扰能力更好,全行程的绝对值编码器不需要开机找零。绝对值编码器的信号接口,之前只有西门子300以上的中高端PLC才有,比如ssi和profibus-DP,然而目前各种PLC也已都集成了RS485通讯接口,并已内置了modbus RTU协议,配置的RS485接口是可以连接多个编码器,不再另增加成本。绝对值编码器的信号更具工业化可靠性标准,并有校验码可剔除被干扰的错误数据。用绝对值编码器的抗干扰要比用增量编码器的抗干扰好很多,现场人力服务成本更低,现场服务会轻松很多。机械齿轮箱绝对值多圈编码器目前已经实现了国产化,而且品质已经经过多年大量的使用验证,国产实惠的工业等级的绝对值真多圈编码器价格已接近了千元线,目前正在大量的被使用。

在众多PLC支持的工业总线中,modbus是最广泛也是最经济的一种总线。当然,modbus RTU编码器也是绝对值编码器中成本最经济的。事实上这种PLC与绝对值编码器做位置闭环,甚至可以做双路同步控制的使用,已有多年的大量的用户应用业绩。从现场抗干扰及位置定位的实用效果看,就是一个比增量脉冲编码器好用。这同样也大大节省了现场调试服务的人工成本。

从信号的角度上来讲modbus通讯技术几十年的发展历史了,信号稳定,技术成熟,抗干扰强,具有广泛的硬件支持基础,从应用层面讲,modbus编码器主要是在变频电机的定位控制上,已经2路或以上的同步控制中,随着现在PLC技术的发展,定位控制和同步控制没有必要用到西门子300这类的中型PLC,像西门子200smart 三菱FX3U这样的小型PLC也能处理这样的应用,而且小型PLC普遍集成Rs485口可以连接modbusRTU信号的编码器,可以做普通变频电机的定位控制和同步控制,成本进一步降低,由于采用的是多圈绝对值编码器,项目的成功率大幅提升。从扩展性来讲,modbus由于是开放的协议所以扩展性很强,可以扩展成无线、4G、5G通讯,除了可以和PLC连接和工业PC也可以连接,适用性很强,如果是新产品开发,硬件好找,硬件开发也好找。

现在看来modbus RTU正在逐渐成为各种品牌PLC与绝对值编码器连接的标准通用接口,就目前来说ModbusRTU是唯一能将各个品牌PLC“统一”的绝对值编码器接口。

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王妍
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