基于Modbus的高速电主轴监控方案实现

1、基于Modbus的高速电主轴监控方案实现Implication of high speed spindle monitoring and control program based on modbus田二亮，李蓓智，杨建国，王庆霞TIAN Er-liang, LI Bei-zhi, YANG Jian-guo, WANG Qing-xia（东华大学 机械工程学院，上海 201620）摘 要：在Modbus通信协议基础上，利用计算机RS232串口和宇泰RS232/RS485转换器，建立PC与 台达变频器和台达温控器的之间的Modbus通讯连接。在C 编程环境下，结合serialPort和 tim

2、er控件的使用, 开发高速电主轴监控软件，实现对高速电主轴的转速调整、启停控制，高 速电主轴温度监测以及变频器频率信息采集。针对高速电主轴温度信息实时监测需求，设计 电主轴外壳温度采集方案，并在实验室条件下通过了验证测试。关键词：高速电主轴；变频器；温控器；Modbus协议中图分类号：TP271+.4文献标识码：A文章编号：1009-0134(2014)04(上)-0142-03 Doi：0引言制造自动化是制造业发展的重要标志之一。 早期的刚性自动化已发展到以计算机数控为基础 的柔性自动化，而基于柔性制造产生了对制造过 程监控需求1。复杂制造过程的动态监控是现代制 造系统，尤其是高性能制造系统

3、稳定正常运行的 基本要求。由高精高效高速加工需求催生的高速 电主轴，是高速机床的核心部件2，因而对高速电 主轴的控制要求也越来越高。面向高性能惯性导 航关键件具有的极高加工精度和表面质量要求， 东华大学研制的微细机械加工系统采用高速电主 轴，用于高性能惯性导航关键件的精密微磨加 工。高速电主轴作为该微细机械加工系统的核心 功能部件，其工作状态尤其电主轴温度是一项评 价电主轴运行状态的重要指标。国内外利用Modbus协议实现对设备的控制 有非常广泛的应用：樊新乾等3根据Modbus协议 及其通信原理，提出了应用于工业现场设备监控 的设计方案，实现了上位机对现场设备的实时监 控。李长华等4构建了一

4、种有效的监控系统网络的 模型，采用Modbus协议进行远程数据传输，监控 应用层与现场层能实时的进行数据交换，进而实 时在线的监控自动供水系统。本文针对课题中高 速电主轴控制需要，选用带有RS485通信接口的 台达VFD-B变频器驱动和控制高速电主轴运行， 选用台达DT360RA温控器，实现对该高速电主轴外壳温度信息的采集5。在C#编程环境下开发高 速电主轴监控软件6，在建立的PC与设备之间的 Modbus通讯基础上，通过控制变频器设定频率和 启停状态，实现对高速电主轴启停、调速控制， 并能够监测当前变频器输出频率值，可用于电主 轴当前转速计算。KTY84-130温度传感器安装在 电主轴外壳上

5、，设计恒流源电路将温度传感器电 阻信号转换为模拟电压信号并传入温控器，温控 器识别当前电主轴外壳温度并实现超温报警。监 控软件通过通讯连接实时读取温控器当前温度 值，并绘制电主轴温度监测曲线。1 电主轴控制系统硬件设计图1为高速电主轴监控系统的总体硬件构成， 实验中使用USB接口虚拟RS232串口，使用宇泰 RS232/RS485转换器UT2201，实现RS485接口的转 换。根据电主轴额定功率、额定电压等参数，选 用台达VFD-055B变频器，该变频器支持Modbus通 讯，具有RJ11（6P4C）形式的RS485通讯口。选 用台达DT360RA温控器，实现电主轴外壳温度状 态监测，该温控器

6、同样具有RJ11（6P4C）形式的 RS485通讯口。支持RS485的驱动器最大可实现32 个RS485设备的控制。在波特率为100kbps时，通 信距离可达到1200m；当通信距离为15m时，波特 率可达10Mbps7。在工业现场，RS485是应用较多的一种通信方 式。需要指出的是，PC机通过RS485通信接口卡收稿日期：2013-12-21 基金项目：国家863高技术研究发展计划项目（2012AA041309）作者简介：田二亮（1989 -），男，河北沧州人，硕士研究生，研究方向为机床电气设计与集成。可与多个带RS485通讯口的设备相连接，每个变频 器被赋予各自的地址编码用以识别身份，这样

7、PC 机就能通过RS485通信，对所有设备进行控制操 作。图1 硬件系统总体结构其中温度传感器选用KTY84-130，其 温阻曲线接近线性，如图2所示，测温区间 为-40300，测量精度3%。图2 KTY84-130温阻曲线温度传感器信号为包含温度信息的电阻信 号，为实现电阻信号转换为模拟电压信号，设计 2mA恒流源电路，如图3所示。图4 设备接线图2Modbus通信协议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。Modbus通讯使用主从技术， 主设备可以和指定的从设备单独通信，也能以广播

8、 方式和所有从设备通信，从设备根据主站发出的命 令，作出相应回应8。Modbus协议建立了主设备对 从设备通信资料的标准结构，包括设备地址、功能 代码、所要发送的数据、校验码和结束符。以台达VFD-B系列交流电机驱动器为例，其 通讯接口为RS485，支持Modbus通讯协议，可使 用ASCII（American Standard Code for Information Interchange）或RTU（Remote Terminal Unit）两种 资料编码9。本文采用的串口通讯资料格式为ASCII编码 方式中的（7，E，1）格式，通讯波特率选择 9600bps。串口发送的10位资料框包括：

9、1位开始 位，7位数据位，1位校验位，校验方式为偶校 验，1位停止位。ASCII模式下通信资料结构如表1 所示。图3 恒流源电路电路中，输入电压Vi=12V，R1= Vref/ I0=625，输出电压V0=I0RKTY84-130。输出电 压模拟信号输入温控器，通过RS485通讯口，实现 温度信息采集与监测。本文采用的设备接线如图4所示。本文进行验 证实验用电主轴为EECO公司100GS30型30000rpm 高速电主轴和KTY84-130温度传感器监测电主轴 外壳温度。表1通信资料结构STXAddress Hi Address Lo Function Hi Function Lo DATA7

10、 DATA0LRC CHK Hi LRC CHK Lo END HiEND Lo起始字符= :（ASCII码3AH）通信地址：8比特地址由2个ASCII码组合功能码：8比特功能码由2个ASCII码组合资料内容：32比特资料内容由8个ASCII码组合，包括4个ASCII码为起始地址，4个 ASCII码为发送的数据。LRC检查码：8比特检查码由2个ASCII码 组合结束字符：END Hi=CR(0DH) END Lo=LF(0AH)第36卷 第4期 2014-04(上) 【143】3 Modbus通讯指令代码设计在Windows环境下，在C#软件10中编写应用 程序，嵌入serialPort控件，

11、实现通过串口向设备发 送控制指令，指令中包含设备地址、功能码、所 要发送的数据、校验码和结束符。3.1 设备地址设备通信地址一般可设定范围为01HFEH（254），本文调试中台达变频器设备地址设为 01，温控器设备地址设为02，因此通信地址分别 为01H、02H。3.2 设备功能码功能码分为读、写、通讯测试和写多笔资料 四种，分别为：03H-读出寄存器内容；06H-写入 一笔资料至寄存器；08H-回路侦测；10H-写入多 笔资料至寄存器。3.3 设备参数字址定义本文涉及的设备为台达变频器和台达温控器。 以变频器为例介绍参数字址定义，如表2所示。表2变频器参数字址定义参数字址功能说明00B：无功

12、能01B：停止10B：启动11B：JOG启动 保留 00B：无功能01B：正方向指令10B：反方向指令11B：改变方向指令 功能未激活 选择Bit6-11功能 保留设定频率值当前输出频率（H）Bit0-1Bit2-32000HBit4-5Bit6-11Bit12 Bit13-152001H2103H根据以上ASCII（7，E，1）通讯资料格式、功 能码及表2，可得出变频器正转启动、停止、设定 频率及读取当前输出频率值、读指令如表3所示。以上CRLF为结束换行符，在字符串中用rn 表示。类似的，参考台达DT360RA手册11参数字 址定义，可得出读温控器当前温度指令码为“： 0203100000

13、01EACRLF”，在字符串中，CRLF用rn表示。表3功能指令表功能正传启动 停止设定频率(举例 60Hz0258H)读当前输出频率指令：010620000012C7CRLF：010620000001D8CRLF：01062001025888CRLF：010321030001D7CRLF4电主轴监控软件设计实现步骤如下：在当前Form中插入serialPort 控件，设置serialPort控件属性：波特率9600bps，数据位7，校验方式Even， 停止位One。在Form中插入TextBox、Button及Lable控件等 控件，创建变频器调试软件界面5，如图5所示。以正转按钮程序为例介

14、绍编程方法，准备程 序： serialPort1。PortName=comboBox1。Text;/选择串 口serialPort1。BaudRate = 9600;/设定波特率； serialPort1。DataBits = 7;/设定数据位 serialPort1。Parity=System。IO。Ports。Parity。 Even;/校验方式选择偶校验 serialPort1。StopBits=System。IO。Ports。 StopBits。One;/停止位设置正转按钮事件程序：private void button1_Click(object sender, EventArgs

15、e)serialPort1。Open();serialPort1。 DiscardInBuffer();/清接收缓存 serialPort1。DiscardOutBuffer();/清发送缓存 serialPort1。Close();参考以上程序编写其他功能指令代码，完成 电主轴启停、调速及温度监测功能代码。图5 变频器调试软件界面【下转第148页】2.3.3 导向定位结构设计为保证各模板及活动零件之间相对位置精 度，同时又要兼顾装模和开模方便，模具采用了 两种导向定位方式：1）为方便铰链式型芯装模和 出模，保证型芯开合顺畅，采用方形锥块定位， 如图7所示；2）其余模板采用倒装20锥度锥导 柱

16、定位，如图11(a)中12号件。2.3.4 模具定位方式注压式接头模是安装在注料式模压机上来模 压硫化产品。注料式模压机为立式注料，模具安 装在模压机上、下平板之间，通过螺钉将模具的 上下模板固定在模压机上，因此在模具上下模板 上需做出固定台阶，如图11(a)中1号、2号件，台 阶厚度为10mm。模压机的下平板是轨道活动式 的，生产过程中工人手动拉出下平板，在机床外 手工装、出模，然后将下平板及模具推入模压机后自动合模进行注压硫化生产。3结束语密封条注压式接头模是一种特殊形式的橡胶 压模，模具结构的合理性直接影响产品接头质量 和企业生产效率，经过反复地改进与试模，此类 模具结构由原来传统的手工

17、填料式橡胶接头模改 进为上述注压式模具结构，从原来每个工人每班 次操作1副模具提升到每人每班次操作23副模 具，大大提高了生产效率，同时产品质量的稳定 性也得到较大提高。参考文献：1 赵大力,皇甫喜乐,李小银,等.大眼窗面罩罩体橡胶注射 模设计J.模具工业,2010,36(2):56-58.2 田永,韦俊.汽车车门密封条系统的结构与功能研究J. 汽车工程师,2012,184(8):17-20.【上接第144页】5结束语本文使用C#中serialPort控件和Modbus通信协 议，实现在Windows环境下开发电主轴监控软件实 现电主轴控制，通过实验验证电主轴温度监测方 案。构建的电主轴控制系

18、统性能稳定，硬件结构 简单、成本低，所有支持Modbus通讯的设备均能 使用，具有很强的可扩展性、通用性、实用性。参考文献：1 李蓓智,陈祝平,张建梅.先进制造技术M.北京:高等教 育出版社,2007:190-194.2 雷群.从高速电主轴发展谈解决中国高速机床发展“瓶 颈”之道J.金属加工冷加工,2011,18:14-16.3 樊新乾,潘存海.基于Modbus/TCP协议台达PLC与上位机 VB软件之间的通信J.制造业自动化,2012,34:35-45.4 建J.电子技术,2013,12:39-40.5 On-line Monitoring System Based on MODBUS forTemperature Measurement in Smart GridC. Innovative Smart Grid Technologies-Asia(ISGT Asia),2012.6 郑阿奇,袁永福,张小勇.精通C#编程M.北京:电子工业 出版社,2011:31-42.7 杨勇.基于VC+的变频器控制系统J.工业控制计算 机,2004,17(3):30-31.8 俞野秋.基于Modbus和Modbus-TCP协议的远程监控技 术研究D.上海:上海交通大学,2012:10-19.9 中 达电 通 . V FD - B 变 频 器使 用 手 册 . O n l in e A