OHJAUSTOIMILOHKON KEHITYS KENTTÄVÄYLÄÄN KYTKETYLLE TAAJUUSMUUTTAJALLE

Transkriptio

1 Teemu Tiikkainen OHJAUSTOIMILOHKON KEHITYS KENTTÄVÄYLÄÄN KYTKETYLLE TAAJUUSMUUTTAJALLE Työn tyyppi (Opinnäytetyö) Syksy 2017 SeAMK Tekniikka Automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma

2 2 SEINÄJOEN AMMATTIKORKEAKOULU Opinnäytetyön tiivistelmä Koulutusyksikkö:Tekniikka Tutkinto-ohjelma: Automaatiotekniikka Suuntautumisvaihtoehto: Sähköautomaatio Tekijä: Teemu Tiikkainen Työn nimi: Ohjaustoimilohkon kehitys kenttäväylään kytketylle taajuusmuuttajalle Ohjaaja: Niko Ristimäki Vuosi: 2017 Sivumäärä: 36 Liitteiden lukumäärä: 2 Opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää ohjelmoitavaan logiikkaan toimilohko, joka ohjaa Modbus-kenttäväylään liitettyjä taajuusmuuttajia. Toimilohkon tavoitteena oli nopeuttaa moottorikäyttöihin liittyvää logiikkaohjelmointia vähentämällä kenttäväyläkommunikointiin liittyviä rutiininomaisia ohjelmointivaiheita. Toimilohkon ohjelmoinnissa käytettiin TwinCAT-ohjelmointiympäristöä ja Beckhoffin Modbus RTU-kirjastoa. Työ tehtiin Depos Oy:lle. Työn lopputuloksena oli toimilohko, joka kykenee ohjaamaan ja kyselemään Modbus-väylään liitettyjen taajuusmuuttajien tilatietoja. Toimilohko sisältää Danfoss HVAC Drive- ja ABB ACS550 -taajuusmuuttajien Modbus-kyselyt. Avainsanat: Ohjelmoitava logiikka, taajuusmuuttaja, kenttäväylät, toimilohko

3 3 SEINÄJOKI UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Thesis abstract Faculty: School of Technology Degree programme: Automation engineering Specialisation: Electric automation Author/s: Teemu Tiikkainen Title of thesis: Development of the control function block for the frequency converter connected to the fieldbus Supervisor(s): Niko Ristimäki Year:2017 Number of pages:36 Number of appendices:2 The aim of this thesis was to develop a generic function block for a PLC s which can be used to control multiple frequency converters using Modbus-fieldbus for communication. The purpose of this customized function block is to make the programming of drives quicker by reducing the replication of common programming steps required in drive programming. The function block was developed in Beckhoff s TwinCAT programming environment using the Modbus RTU library. This thesis was commissioned by Depos Oy. As a result of this thesis, a generic function block was made that can be used to control and query the state information of multiple frequency converters linked to the same Modbus-fieldbus. The function block contains the Modbus-fieldbus queries of Danfoss HVAC and ABB ACS550 frequency drives. Keywords: Plc, Frequency converter, fieldbus, functionblock

4 4 SISÄLTÖ Opinnäytetyön tiivistelmä... 2 Thesis abstract... 3 SISÄLTÖ... 4 Kuva- ja taulukkoluettelo JOHDANTO Työn tausta Työn tavoite Työn rakenne Yritysesittely KÄYTETYT TEKNIIKAT Automaation hierarkia Kenttäväylä OSI-malli Modbus Modbus RTU -kysely Osoitekenttä Toimintokoodikenttä Datakenttä Virheentarkistuskenttä Modbus-rekisterit RS RS TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU -toimintakoodit TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU -toimilohkon rajapinta Topologia Väylätopologia Taajuusmuuttaja Ohjaus Väyläportti... 21

5 Kommunikointi Oloarvot TOIMILOHKO Testausalustan rakennus KENTTÄVÄYLÄN ASETUKSET Yhteysasetukset Kenttäohjauksen asetukset Oloarvojen määritys System Managerin konfigurointi MODBUS-TOIMILOHKO Suunnittelu Ohjelmointi TULOKSET POHDINTAA JA YHTEENVETO LÄHTEET LIITTEET... 37

6 6 Kuva- ja taulukkoluettelo Kuva 1. Kenttäväylällä ohjataan ja luetaan laitetta samalla johdinparilla. Kenttäväylässä oikealla kuvassa digitaali- ja analogiatulot ja -lähdöt jäävät turhaksi Kuva 2. Isäntä-orja. Kysely-vastaus-kierto Kuva 3. Eri rekisteriryhmien isäntälaitteen (master) oikeudet Kuva 4. Rekisteriryhmien sijoittuminen Modbus-laitteelle Kuva 5. Väylä terminoidaan johtimen molemmista päistä Kuva 6. CX9001 RS-232-liitännällä Kuva 7. Moxa TCC-80 RS232-RS485 -väylämuunnin Kuva 8. Sarjaportin asetukset Kuva 9. Havainnekuva toimilohkosta Kuva 10. Vuokaavio Kuva 11. Valmis toimilohko Kuva 12. Taajuusmuuttajan osoite-, malli ja readdata-taulukko Kuva 13. Taajuusmuuttajan kirjoitusrajapintataulukko Taulukko 1.7-kerroksen OSI-malli Taulukko 2. Modbus-kyselyn rakenne Taulukko 3. Luku tai kirjoitus tapahtuu eri toimintakoodilla Taulukko 4. Tilasana ja taajuusmuuttajan oloarvot

7 7 Käytetyt termit ja lyhenteet Baudrate Bitti I/O Isäntä Orja Pariteetti PLC System Manager Tiedonsiirtonopeus. Sarjaliikenteen tiedonsiirtonopeuksia ovat yleensä: 300 bit/s, 600 bit/s, bit/s, bit/s, bit/s, bit/s, bit/s ja bit/s. Binääritie to. Pienin tiedon esitystapa. Bitti on joko päällä tai pois 0 tai 1. (input/output). Tulo- ja lähtösignaali ohjelmoitavassa logiikassa (Master) Älykäs kenttä- tai ohjauslaite. Lähettää ja vastaanottaa dataa väylältä. Master-laite on yleensä kenttäväylään liitetty Plc. (Slave). Tyhmä kenttälaite. Vastaanottaa ja lähettää dataa ainoastaan silloin kuin saa isäntälaitteelta luvan. Orjalaitteita ovat esimerkiksi kenttäväylään liitetyt toimilaitteet. Ilmaisee onko binääriluvussa parillinen vai paritonmäärä ykkösiä. (Programmable Logic Controller). Ohjelmoitava logiikka. Se on pieni tietokone, jota käytetään automaatioprosessien ohjauksessa. System Manager on keskeinen työkalu TwinCAT2- ohjelmontiympäristössä. Työkalulla määrätään TwinCATjärjestelmässä oleva fyysinen rauta. Kokoonpano tehdään määrittämällä tarkalleen mitä logiikka komponentteja käytetään. (Beckhoff TSM [Viitattu ]) System Managerilla linkitetään myös TwinCAT Plc:llä tehdyt muuttujat korteilla sijaitseviin analogisiin ja

8 8 digitaalisiin tuloihin ja lähtöihin. (Beckhoff TSM [Viitattu ])) Taulukko (Array). Tietotekniikassa taulukko on alkeellinen tietorakenne. Taulukko koostuu peräkkäisistä tallennuspaikoista, joita sanotaan alkioiksi. Toimilohko Toimilohko on valmis logiikkasovelluksen osa. Toimilohko ohjaa toimilohkoon liitettyjen tietojen perusteella toimilohkon lähtöjä. TwinCAT PLC Control TwinCAT PLC Control on täydellinen kehitysympäristö logiikoiden ohjelmointiin. Väylämuunnin Muuntaa kahden eri tietoliikenneväylät yhteensopiviksi.

9 9 1 JOHDANTO 1.1 Työn tausta Depos Oy käyttää pumppujen ohjauksissa taajuusmuuttajia. Taajuusmuuttajia ohjataan kenttäväylän kautta Modbus-protokollalla. Kenttäväylää käytetään, koska taajuusmuuttajasta saadaan kaikki tilatiedot kahdella johtimella ja sitä voidaan ohjata samalla johdinparilla. Depos Oy käyttää yleensä samoja taajuusmuuttajia projekteissa. Kenttäväylää ohjelmoitaessa käytetään Beckhoffin Modbus-kirjastoa. Tuli ilmi, että on tarve taajuusmuuttajien ohjaukseen käytettävästä toimilohkosta. Toimilohko tulisi sisältää yrityksen useimmin käytettyjen taajuusmuuttajien luettavat Modbus-rekistereiden komennot. Toimilohko helpottaisi ja nopeuttaisi ohjelmointia. 1.2 Työn tavoite Työn tavoitteena on kehittää toimilohko (functionblock) TwinCAT 2 - ohjelmointiympäristöön. Toimilohkolla ohjattaisiin ABB:n ja Danfossin taajuusmuuttajia. Toimilohkoon on tarkoitus määritellä valmiiksi Danfoss HVAC Drive- ja ABB ACS550. -taajuusmuuttajan oikeat Modbus-komennot ja luettujen rekistereiden muistipaikat taajuusmuuttajilta. Toimilohko helpottaisi ja nopeuttaisi ohjelmointia Toimilohkon toiminta halutaan seuraavanlaiseksi: Toimilohkolle kerrotaan taajuusmuuttajan mallit, Modbus-kenttäväylän osoitetiedot ja montako taajuusmuuttajaa toimilohkossa on. Taajuusmuuttajia ohjataan kertomalla toimilohkolle ohjaustiedot ja toimilohko kertoo taajuusmuuttajan tilatiedot. Toimilohko kyselee taajuusmuuttajan tilatietoja ja oloarvoja jatkuvasti.

10 Työn rakenne Luvussa 2 käsitellään lyhyesti opinnäytetyössä käytetyjä tekniikoita. Luvussa 3 kerrotaan testialustasta, jolla toimilohko kehitetään. Luvussa 4 käydään läpi kenttäväylän asetuksia. Luvussa 5 kerrotaan toimilohkon suunnittelusta ja ohjelman rakenne. Luvussa 6 on tulokset. Luvussa 7 on pohdinta ja yhteenveto. 1.4 Yritysesittely Tämä opinnäytetyö on tehty Depos Oy:lle. Depos on Seinäjoella toimiva Automaatioyritys ja se on perustettu 2011 vuonna. Depoksen toimistotilat ja varasto sijaitsevat Seinäjoen rytmikorjaamolla. Depos toimittaa vesi- ja jätevesilaitosten säätö-, valvonta- ja raportointijärjestelmiä. (Depos [Viitattu ].) Depos Oy osti vesihuollon osaamisen lisäämiseksi BK-automation KY vuonna Depos Oy työllistää 2 työntekijää suunnittelu-, huolto- ja asennustehtävissä. (Depos [Viitattu ].)

11 11 2 KÄYTETYT TEKNIIKAT 2.1 Automaation hierarkia Automaatiojärjestelmässä käytetään 3 4 hierarkkista tasoa: Hallinnollinen taso, valvomotaso, alakeskustaso sekä kenttätaso. Hallinnollinen taso on linkki keskusvalvomosta tai valvomosta muihin tietojärjestelmiin. Valvomotasolla ohjataan ja valvotaan tietokoneen avulla automaatiojärjestelmää. Valvomon tietokoneeseen on liitetty tulostin raportti- ja hälytystietoja varten. Alakeskuksella on logiikan tulo- ja lähtöpisteet, näillä säädetään, ohjataan ja valvotaan automaatiojärjestelmiä. (Piikkilä, Veijo & Sahlstén 2006,10-11). Kenttälaitetasossa on automaation perusinstrumentointi: anturit, ja toimilaitteet.(abb TTT-käsikirja 2000, 1.) Kenttälaitteiden tiedonsiirtotapaa alakeskuksiin kutsutaan kenttäväyliksi (Piikkilä & Sahlstén 2006,11). 2.2 Kenttäväylä Kenttäväylä mahdollistaa tiedonsiirron kenttätason laitteiden ja automaatiojärjestelmän välillä. Kenttäväylä on digitaalinen, sarjamuotoinen ja kaksisuuntainen tiedonsiirtoväylä. Kenttäväylän avulla voidaan säätää ja mitata kenttälaitteita. (ABB TTT-käsikirja 2000, 3.) Kenttäväylän hyödyt tulevat esille järjestelmissä, joissa siirretään monta erilaista mittaustietoa kenttälaitteelta prosessiaseman logiikkaan. Kenttäväylät vähentävät johdotusta ja kytkentäpisteitä jopa prosenttia. Kenttäväylä vähentää automaatiokeskuksen sisällä olevien laitteiden määrää. Tästä seuraa huomattava säästö ajankäytössä suunniteltaessa automaatiojärjestelmää kytkentäpisteiden vähentyessä. Myös asennusaika vähenee, kytkentävirheet vähenevät ja huoltotyöt helpottuvat johdotusmäärien vähennettyä. (Piikkilä & Sahlstén 2006, )

12 12 Kuva 1. Kenttäväylällä ohjataan ja luetaan laitetta samalla johdinparilla. Kenttäväylässä oikealla kuvassa digitaali- ja analogiatulot ja -lähdöt jäävät turhaksi. 2.3 OSI-malli Kenttäväylän tiedonsiirrossa käytetään OSI-mallia, joka on kansainvälinen avoin standardi. Automaatiossa kenttäväylästandardissa käytetään kolmea OSI-mallin kerrosta: fyysistä kerrosta, siirtoyhteyskerrosta ja sovelluskerrosta. (ABB 2000, 2.) Taulukko 1.7-kerroksen OSI-malli (ABB 2000,3) 7. Sovelluskerros 6. Esitystapakerros 5. Istuntakerros 4. Kuljetuskerros 3. Verkkokerros 2. Siirtokerros 1. Fyysinen kerros

13 13 Fyysinen kerros määrittelee tiedonsiirrossa käytettyjen siirtokanavan ominaisuudet: signaalitasot, linjakoodaustavat ja väyläliittimet (Kettunen 2002, 37.) Siirtoyhteyskerros kehystää ylempien kerrosten tietoliikennepaketin fyysisen kerroksen siirtoa varten eli muodostaa yhteyden laitteiden välille. Fyysinen kerros valvoo tiedonsiirron luetettavuutta laskemalla ja lisäämällä tarkistussumman. Siirtoyhteyskerros kehystää datan määrämittaisiin kehyksiin ennen fyysisen kerroksen lähetystä. (Kettunen 2002, 37.) Sovelluskerros on käyttöliittymän ja sovellusohjelmistojen rajapinta. Sen kautta rajapinnan data kulkee fyysiselle kerrokselle siirtoyhteyden kautta. Fyysinen kerros siirtää datan aina kohdelaitteelle asti. (Kettunen 2002, 37.) 2.4 Modbus Modbus on avoin ja lisenssimaksuton protokollaperhe. Modbus-protokollaa käytetään teollisuudessa erilaisten laitteiden välisessä kommunikoinnissa isäntä/orja (master/slave) -menetelmällä. Laitevalmistajat tukevat laajasti Modbusprotokollaa laitteissa. Protokollasta on tullut standardi automaatioteollisuudessa. Modbusia käytetään, koska se on avoin ja lisenssimaksuton. Modbus-protokollaa tukevien eri valmistajien laitteita on edullista liittää keskenään yhteen. (Piikkilä & Sahlstén 2006, 243.) Modbus on isäntä orja-protokolla. Modbus-protokollaa on helppo käyttää sarjaliitännöissä. Modbus-väylää hallitsevaan isäntään voidaan liittää 247 orjalaitetta. Modbus-protokolla käyttää OSI-mallin tasoista fyysistäkerrosta, siirtoyhteyskerrosta ja sovelluskerrosta. Sarjamuotoista Modbus-kehystä on kaksi: Modbus RTU ja ASCII. TCP/IP-liitännälle on tehty oma muunnelma Modbus over TCP/IP. (Piikkilä & Sahlstén 2006, 245.) Modbus RTU -kysely Modbus RTU -kyselyllä isäntälaite (master) voi hallita Modbus-kyselyillä orjalaitteiden (slave) rekistereiden arvoja. (Modicon MPRG 1996,5).

14 14 4 merkiä odotus Taulukko 2. Modbus-kyselyn rakenne Aloitus Osoite Toiminto Data Tarkistussumma Lopetus 1 tavu 1 tavu = 1 tavu 2 tavua 4 merkkiä odotus Modbus-väylässä tiedonsiirto tapahtuu seuraavasti: Isäntälaite lähettää kyselyn, joka sisältää halutun orjalaitteen osoitteen (Device Address), toimintakoodin (Functioncode) ja datakentän (Queru Data), joka tarkentaa toimintakooditehtävän toimenpiteitä. Kyselyn loppuun lisätään laskettu tarkistussumma (Error Check). Orjalaite, jonka osoite on kehyksessä, suorittaa kehyksen sanoman tehtävät ja palauttaa isäntälaitteelle laitteen osoitteen, toimintakoodikentän ja datakentän. Toimintakoodikenttä ja datakenttä sisältävät kyselyn rekisterien arvot. Virheen sattuessa orjalaite kertoo virheestä muuttamalla vastauksen toimintakoodin arvoa ja datakentän avulla kertoo lisää virheestä. (Modicon MPRG 1996,5.) Kuva 2. Isäntä-orja. Kysely-vastaus-kierto (Modicon MPRG 1996) Osoitekenttä Kaikille kenttäväylään liitetyille laitteille määritetään yksilöllinen osoite. Modbuskehys sisältää osoitteen, mille kenttälaitteelle komento on tarkoitettu. Vain osoitteen omaava kenttälaite suorittaa komennon, vaikka komento menee kaikille laitteille

15 15 kenttäväylässä. Modbus-kenttäväylään voidaan liittää enimmillään 247 kappaletta kenttälaitteita. Osoitteet määritetään numeroarvoilla (Modicon MPRG 1996,10.) Toimintokoodikenttä Rekisterialueita luettaessa tai kirjoitettaessa toimintakoodilla isäntälaite määrittelee ohjauskomennon orjalaitteelle ja siirtyy luettavassa orjalaitteessa oikeaan rekisteriryhmään. Eri rekisteriryhmissä pyydetään vastausta tai kirjoitetaan uusi arvo siihen ryhmään toimivalla toimintakoodilla. Taulukko 3 havainnollistaa, mikä toimintakoodi käy mihinkäkin rekisteriryhmään. (Modicon MPRG 1996,10.) Taulukko 3. Luku tai kirjoitus tapahtuu eri toimintakoodilla. (Modbus APS 2002,11) Rekisteriryhmä Funktion nimi Toimintakoodi Physical Discrete Inputs Read Discrete Inputs 2 Read Coils 1 Internal Bits or Physical Coils Write Single Coil 5 Write Multiple Coils 15 Physical Input Registers Read Input Registers 4 Internal Registers or Physical Output Registers Read Multiple Holding Registers Write Single Holding Register Write Multiple Holding Registers Datakenttä Datakentällä tarkennetaan halutun rekisteriarvon muistipaikkaa rekisteriryhmässä. Datakenttään laitetun arvon avulla siirrytään rekisteriryhmässä haluttuun rekisteriin. (Modicon MPRG 1996,11.)

16 16 Jos esimerkiksi halutaan orjalaitteelta vastauksena rekisteriarvo 30001, joka sijaitsee Input rekisteri-alueella. Tulee toimintakoodiksi numero 4 taulukon 3 mukaan. Toimintakoodin avulla rekisterialueeksi valikoituu Datakenttään kirjoitetaan 0, koska siirtymää ei tarvita, koska rekisteriryhmä alkaa rekisteriarvosta (Modicon MPRG 1996,11.) Kun taas halutaan vastauksena orjalaitteelta rekisteri-arvo tulee toimintakoodiksi sama 4. Datakenttään pitää laittaa siirtymäksi 9, koska ryhmän aloitus rekisteriarvosta haluttuun rekisteriarvoon tulee siirtymää 9 rekisteripaikan verran. (Modicon MPRG 1996,11.) Virheentarkistuskenttä Tiedonsiirrossa mahdolliset vääristymät täytyy tarkistaa. Modbus RTU -kehyksessä lasketaan tarkistussumma CRC-menetelmällä. Tarkistussumma on 16 bittinen binääriarvo. Tarkistussumma lisätään Modbus-kyselyn virheentarkistuskenttään. (Modicon MPRG 1996,16.) Modbus-rekisterit Modbus-kenttäväylää tukevilla laitteilla on varattu muistialueita rekistereitä varten. Modbus-rekisterit jakautuvat neljään ryhmään. Eri rekisterialuyeryhmiä ovat: Discrete Input, Coil, Input Register ja Holding register. Eri ryhmillä on erilaiset lukuja kirjoitusoikeudet. (Modbus APS 2002,8.) Kuva 3. Eri rekisteriryhmien isäntälaitteen (master) oikeudet (FläktWoods 2016).

17 17 Jokaisella rekisteriryhmällä on muistipaikkaa. Yleensä näistä käytetään vain pientä osaa. Modbus-isäntälaiteella voi pyytää orjalaitteelta vastauksena eri rekisterialueiden arvoja tai kirjoittaa niitä uusiksi toimintakoodipyyntönä Modbuskomennoilla. (Modbus APS 2002,7.) Kuva 4. Rekisteriryhmien sijoittuminen Modbus-laitteelle. (Modbus APS 2002). 2.5 RS-485 RS-485 on sarjaliikennestandardi, joka on kehitetty teollisuuden tiedonsiirtoon. RS- 485-sarjaliikennettä on kahta eri versiota. Yksinkertaisemmassa versiossa tarvitaan vain yksi johdinpari. RS-485 sarjaväylässä voi olla aktiivisena vain yksi lähetin kerrallaan muiden väylälaitteiden kuunnellessa liikkuvaa dataa. Kaapelin pituus voi olla väylällä enintään 1200 m. (Piikkilä & Sahlstén 2006, ) Väylän päät tulee terminoida päätevastuksella heijastuksen takia. Heijastuksia aiheuttaa tiedonsiirron suuri nopeus (TI 2010, 13). Päätevastusarvo on RS-485 väylässä 120 ohmia (FläktWoods 2016, 5).

18 RS-232 RS-232 on yleisin käytetty väyläliitäntä. RS-232 on balansoimaton tiedonsiirtotekniikka. Se käyttää yhtä johdinta signaalia kohden ja yhteistä maapotentiaalia. RS-232-tietoliikenneportti on tarkoitettu kahden laitteen väliseen kommunikointiin. RS-232-kaapelin pituus voi olla maksimissaan m. (Piikkilä & Sahlstén, Toivo. 2006, 66.) 2.7 TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU Beckhoffin TwinCAT PLC Modbus RTU -kirjastolla voidaan toteuttaa Modbus RTUyhteys RS-232-, RS-422- tai RS-485-sarjaporteille. Näin kirjasto sopii käytettäväksi Beckhoff CX -logiikoiden sarjaliikenneporttien kanssa sekä Beckhoff KL6xxx- ja EL6xxx-sarjaliikennekorttien kanssa. Kirjasto sisältää erilaisia toimilohkoja isäntäja orjalaitteille. Toimilohkot helpottavat Modbus-protokollan käyttöön liittyvää ohjelmointia. (Beckhoff Overview [Viitattu ].) Kirjasto tukee seuraavia TwinCAT-ohjaimia: TwinCAT PC, CX1000-sarjalaiset, BCja BX-väyläohjaimet. Kirjasto tukee seuraavia rajapintoja: PC- ja CX COM - sarjaportit, BX-ohjaimen sarjaportti ja korttien KL6001-, KL6011-, KL6021-, KL6031- ja KL6041-terminaalit mukaan lukien EL-terminaalit. (Beckhoff Overview [Viitattu ].) TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU -toimintakoodit Beckhoff Modbus RTU -kirjasto tukee seuraavia Modbus-toimintakoodeja: Read Coils, Read Input Status, Read Holding Registers, Read Input Registers, Write Single coils, write single register, Write Multiple Coils, Preset Multiple Registers ja Diagnostics (Beckhoff MbRTU [Viitattu ]).

19 TwinCAT PLC Lib: Modbus RTU -toimilohkon rajapinta Toimilohkon rajapintojen toiminnallisuudet ovat: UnitID: Modbus-aseman osoite. Quantity: Sanojen määrä luetussa tai kirjoitetussa rekisterissä. MBAddr:: Luetun rekisteriryhmän muistipaikan siirtyminen luetusta orjalaitteesta. Esimerkki luvussa 2.44 Datakenttä. cblength: = Quantity * 2. pmemoryaddr: Muistiosoite ohjelmoitavassa logiikassa, jonne Modbus-kyselyn vastaus siirretään. Execute: Modbus-kysely alkaa nousevasta reunasta. Timeout: Aika, kauanko vastausta odotetaan. Busy: Kertoo, onko toimilohko aktiivinen. Error: Kertoo, että virhe on tapahtunut suorituksen aikana. ErrorId: Kertoo virhenumeron vikatilanteessa. cbread: Seuraavan kyselyn tavujen lukumäärä. 2.8 Topologia Verkkotopologia tarkoittaa verkon kaapeloinnin muodostumista eri laitteille. Erilaisia verkkotopologioita on väylätopologia, rengastopologia, tähtitopologia ja puutopologia. (Piikkilä & Sahlstén 2006,.)

20 Väylätopologia Väylätopologiassa väylään liitetyt laitteet yhdistetään samaan kaapeliin. Kaapelin päät on terminoitu päätevastuksella. Väylätopologiassa viestintä tapahtuu yhden kaapelin kautta kaikille laitteille. Väylässä samaan aikaan voi viestiä vain laite pari kerrallaan. Väylätopologia on yksinkertainen ja laajasti levinnyt kaapelointiratkaisu väylälaitteille. (Piikkilä & Sahlstén 2006, 72.) Kuva 5. Väylä terminoidaan johtimen molemmista päistä. 2.9 Taajuusmuuttaja Sähkömoottoreita käytetään teollisuudessa ja kiinteistöissä. Moottoreita käytetään esimerkiksi kuljettimissa, ilmanvaihtojärjestelmissä, paperikoneissa ja erilaisissa puhallinkäytöissä. Sähkömoottorit ovat suurin teollisuuden energian kuluttaja. Sähkömoottorit kuluttavat yli 65 prosenttia teollisuuden sähköenergiasta. Sähkömoottoreiden järkevällä ohjauksella pystytään säästämään helposti energiaa ja siihen tarkoituksen soveltuu hyvin taajuusmuuttaja. (ABB 2008). Taajuusmuuttajalla säästää energiaa niin paljon, että taajuusmuuttajan ostohinta säästyy muutamassa kuukaudessa. Pumppu- ja tuuletinsovelluksissa laitteen hintakustannus saadaan takaisin alle vuodessa. Tästä huolimatta alle kymmenen prosenttia maailmalla käytössä olevista moottoreista on varustettu taajuusmuuttajalla. (ABB 2008).

21 Ohjaus Taajuusmuuttajia voidaan ohjata mallista riippuen paikallisesti ohjauspaneelista, I/O-signaalin kautta tai etänä kenttäväylän kautta. Taajuusmuuttajassa sijaitsevan I/O-liittimen kautta voidaan ohjata taajuusmuuttajaa kytkintiedoilla ja analogiaviesteillä. Jänniteviesti voi olla 0 10 VDC, virtaviesti 0 20 madc tai 4 20 madc. (SähköNet [Viitattu ].) Ohjaus kenttäväylän kautta on teollisuudessa yleisin ohjaustapa. Väylän kautta saadaan helposti kaikki tila- ja hälytystiedot taajuusmuuttajasta helposti yhdellä johdinparilla (SähköNet [Viitattu ]. Sisäänrakennetun kenttäväylän avulla taajuusmuuttajat voidaan kytkeä ulkoiseen ohjausjärjestelmään taajuusmuuttajien tuettujen protokollien avulla. Taajuusmuuttajat voidaan kytkeä vastaanottamaan ohjaustietoa ja lähettämään tilatietoja kenttäväylän kautta. (ABB 2007, 223.) Näiden tietojen avulla taajuusmuuttajaa voidaan ohjata päälle, pois ja muuttaa moottorin nopeutta haluttuun arvoon. (ABB 2007, 224) Väyläportti Kenttäväylän ohjaus tapahtuu sarjaliikenneportin kautta. Taajuusmuuttajien tietoliikenne perustuu useimmilla valmistajilla RS-485-väylästandardiin (ABB 2007, 191) Kommunikointi Kenttälaitteita ohjataan ja luetaan niistä tilatietoa staattisilla viesteillä. Staattinen viesti sisältää yhden tai usean bitin. Staattisia viestejä ovat tilasana ja ohjaussana. (Piikkilä & Sahlstén 2006, 121.) Taajuusmuuttajalta luettava tilasana koostuu kuudestatoista bittitiedosta. Bittien merkitys vaihtelee eri valmistajilla. (ABB 2007, 224).

22 22 Ohjaussana on taajuusmuuttajan ohjaukseen käytettävä tieto kenttäväyläjärjestelmässä. Isäntäasema lähettää kenttäväylässä ohjaussanan taajuusmuuttajalle. Taajuusmuuttaja vaihtaa tilansa ohjaussanan tiedon mukaan tilasta toiseen. Ohjaussanan bittien sisältö riippuu taajuusmuuttajan valmistajasta (ABB 2007, 225.) Oloarvot Oloarvot kertovat taajuusmuuttajan käyntitilaa. Tilatiedot koostuvat 16 bitin mittaisista tiedoista. Oloarvoja ovat muun muassa tilasana, virta, taajuus ja erilaiset hälytystiedot. Oloarvojen sisältämät tiedot voidaan määrittää itse. (ABB 2007, 224). Oloarvot ovat käytännöllisiä siitä syystä, että niiden muistialueet sijaitsevat peräkkäin taajuusmuuttajan muistissa ja niiden käsittely on helppoa ulkoisella ohjauksella (ABB 2007, 225).

23 23 3 TOIMILOHKO Tässä opinnäytetyön luvussa suunnitellaan ja toteutetaan taajuusmuuttajia ohjaava toimilohko käyttäen Beckhoffin TwinCAT-ohjelmointiympäristöä. Tarkoituksena on toteuttaa toimilohko, joka on ohjelmoitu valmiiksi oikeanlaisilla Modbus-kyselyillä. Toimilohko tehdään nopeuttamaan käyttöönottoa moottorikäyttöjen ohjelmoinnissa. Modbus-toimilohkon testausta ja kehittämistä varten Depos Oy hankki Beckhoff CX9001 -logiikan N30-sarjaporttiliitännällä ja kaksi taajuusmuuttajaa: Danfoss HVAC Drive ja ABB ACS550. Kahden eri taajuusmuuttajan avulla kehitetään alustava toimilohko. Toimilohkoon on tarkoitus lisätä myöhemmin muita Depoksen käyttämiä taajuusmuuttajia. Toimilohkon kehittämistä varten seuraavaksi kerrotaan testausympäristön rakentamisesta. Kuva 6. CX9001 RS-232-liitännällä 3.1 Testausalustan rakennus Ennen ohjelmoinnin aloittamista rakennetaan toimiva testilaitteisto. Ensimmäiseksi taajuusmuuttajat parametroidaan Modbus-kenttäväyläliikenteelle ja johdotetaan sarjaväyläyhteys logiikalta taajuusmuuttajille. Cx9001-logiikan N30-sarjaportti konfiguroidaan Beckhoffin omaan Modbus-kirjastoon. Ennen varsinaista ohjelmointia testataan väylän toimivuus Modbus-kyselyllä. Logiikka ja taajuusmuuttajat käyttävät eri sarjaliikenneprotokollaa. Testausta varten hankitut taajuusmuuttajat Danfoss HVAC Drive ja ABB ACS550 tukevat RS-485-

24 24 tiedonsiirtoa. Beckhoffin CX9001-logiikan N30-sarjaportti on RS-232. RS-232- ja RS-485 portteja ei voi yhdistää keskenään, vaan niiden välillä täytyy käyttää väylämuunninta. Ratkaisu väylän yhteensopimattomuuteen on Moxa TCC-80, joka muuntaa väylät yhteensopivaksi. Moxa kiinnitetään logiikan ja ensimmäisen taajuusmuuttajan väliin yhdistämään RS-232- ja RS-485 väyliä. Kuva 7. Moxa TCC-80 RS232-RS485 -väylämuunnin. (MOXA 2017). Laitteiden sarjaportit johdotetaan väylätopologian mukaan. Väylien molemmat päät pitää terminoida, ettei signaali jää häiritsemään tietoliikennettä heijastumalla kaapelissa edestakaisin. Taajuusmuuttajissa oli valmiiksi asennettu terminointikytkin. Terminoinnin pystyy ottamaan käyttöön DIP-kytkimellä. Taajuusmuuttajien magneettista häiriötä vastaan pitää kaapeleiden olla suojattua parikaapelia. Testausalustan johdotuksessa käytetään kaapelia JAMAK2x(2x0.5+05)+0.5.

25 25 4 KENTTÄVÄYLÄN ASETUKSET Taajuusmuuttajat ja logiikka täytyy parametroida kenttäväylää varten taajuusmuuttajan valikosta. Tarvittavat parametroinnit ja konfiguroinnit kerrotaan seuraavaksi. 4.1 Yhteysasetukset Taajuusmuuttajan tiedonsiirtoasetukset pitää asettaa kenttäväylälle sopivaksi. Oikeilla asetuksilla saadaan toimiva yhteys isäntälaitteelta taajuusmuuttajaan. Taajuusmuuttajan asetuksista täytyy valita sarjaliikenne aktiiviseksi. Sarjaliikenteen protokollaksi täytyy valita Modbus. Taajuusmuuttajalle täytyy asettaa väyläosoite. Taajuusmuuttajalle kerrotaan myös käytetyn väylän nopeus ja pariteetti. 4.2 Kenttäohjauksen asetukset Taajuusmuuttajalle täytyy kertoa haluttu moottorin pyörimisnopeus, suunta ja käyntilupatieto. Lisäksi taajuusmuuttajalle täytyy kertoa mistä ohjaukset tulevat. Parametroinnilla määritetään ohjauksien tulot. Ohjaukset voivat tulla kenttäväylän kautta, digitaali- analogi tuloilla tai paikallispaneeliohjauksen kautta. Myös näiden eri variaatioita voidaan käyttää. Testialustassa käytetään pelkkää kenttäväylän kautta tapahtuvaa taajuusmuuttajan ohjausta. Modbus-kyselyillä kirjoitetaan halutttu taajuus ja annetaan käyntilupa taajuusmuuttajalle. Moottorin pyörimissuunta määräytyy sen mukaan, onko annettu arvo positiivinen vai negatiivinen luku. 4.3 Oloarvojen määritys Ohjelmoinnin selkeyttämisen vuoksi taajuusmuuttajalta luettavat oloarvot pitää parametroida kaikille taajuusmuuttajille yhdenmukaisesti. Yritykseltä saatiin tietoa useimmin taajuusmuuttajilta luetuista oloarvoista.

26 26 Taajuusmuuttajien oloarvojen parametrointi tapahtuu taulukon 4 mukaan. Oloarvot määritettiin Danfoss HVAC Drive -taajuusmuuttajan mukaisesti, koska sen kolme ensimmäistä oloarvoa on lukittu vakioiksi eikä niitä pysty itse määrittämään. Näin saadaan kaikille taajuusmuuttajille yhdenmukaiset oloarvot valmistajasta riippumatta. Oloarvojen parametrointi löytyy taajuusmuuttajan paneelin valikosta valmistajakohtaisesti. Taulukko 4. Tilasana ja taajuusmuuttajan oloarvot. Cw Tilasana Oloarvo 1 Pääarvo todellinen % Oloarvo 2 Oloarvo 3 Taajuus Moottorin virta Oloarvo 4 Hälytys 1 Oloarvo 5 Hälytys 2 Oloarvo 6 Varoitukset 1 Oloarvo 7 Varoitukset 2 Oloarvo 8 Käyntiaika 4.4 System Managerin konfigurointi Beckhoff-logiikan sarjaliikenneportti pitää konfiguroida sekä liittää ohjelmoinnissa käytettyyn Beckhoffin Modbus-kirjastoon. TwinCAT 2 -ohjelmointiympäristössä konfiguraatio ja linkitys tapahtuvat System Manager -ohjelmalla. Käytetyn logiikan sarjaliikenneportin COM1 asetukset asetetaan kuvan 10 mukaan. Sarjaliikenneväylässä pitää seuraavien asetusten olla samat kaikilla väylälaitteilla: sarjaväylän tyyppi, Baudrate, pariteetti ja stopbit.

27 Kuva 8. Sarjaportin asetukset. 27

28 28 5 MODBUS-TOIMILOHKO Tässä luvussa kerrotaan taajuusmuuttajakäyttöjä varten suunniteltavasta Modbustoimilohkon rakentamisesta. 5.1 Suunnittelu Tarkoitus on kehittää toimiva toimilohko, joka kyselee taajuusmuuttajia Modbusväylän kautta tila- ja ohjaustietoja. Ennen suunnittelua tutustuttiin Modbusprotokollaan. Kun oltiin tutustuttu tarkemmin Modbus-protokollaan, huomattiin että väylässä voi kulkea vain yksi isäntälaitteen kyselyviesti kerrallaan orjalaitteelle. Alkuperäisenä ajatuksena oli tehdä toimilohko, joka ohjaa yhtä taajuusmuuttajaa. Ongelmaksi tuli Modbus-väylän varaaminen monelle toimilohkolle helposti. Tällöin jokaista samassa väylässä olevaa taajuusmuuttajaa olisi ohjattu omalla toimilohkokutsulla. Ongelmaksi muodostui kuitenkin Modbus-väylän samanaikainen varaaminen usealle toimilohkolle Tästä syntyi idea, että yhdellä toimilohkolla ohjattaisiin omaa sarjaporttia, jolla voidaan ohjata Modbus-protokollaa käyttäen useaa taajuusmuuttajaa. Toimilohkolle kerrotaan taajuusmuuttajien määritetyt Modbus-osoitteet, taajuusmuuttajien mallit ja niiden määrä. Toimilohkoon olisi määritetty valmiiksi kaikkien Depoksen käyttämien taajuusmuuttajien valmistajakohtaiset Modbus-toimintakoodit ja luettavan taajuusmuuttajan rekistereiden arvot. Toimilohko välittäisi Modbuskyselyn pyynnöt taajuusmuuttajille ja saisi vastaukset lukurajapintaan.

29 29 Kuva 9. Havainnekuva toimilohkosta. 5.2 Ohjelmointi Vuokaavio (kuva 10) hahmottaa ohjelmanrakennetta. Vuokaaviosta näkyy mikä on ohjelman looginen eteneminen. Ohjelma rakentuu valintalauseen (Case state) sisälle. Valintalause alkaa tarkastamalla annetun taajuusmuuttajan mallia ja Modbus-osoitetta. Näiden perusteella toimilohko osaa kysyä taajuusmuuttajan rekistereistä tietoa oikeilla Modbus-kyselyillä. Taajuusmuuntajan mallin tarkastelun jälkeen valintalauseen tila siirtyy tilatiedon ja oloarvojen kyselyyn. Niiden jälkeen tarkistetaan onko ohjaussana tai taajuusohje muuttunut, ja ohjelma kirjoittaa muuttuneet arvot taajuusmuuttajalle. Lopuksi ohjelma siirtyy kierroksen alkuun ja siirtyy lukemaan mahdollisesti seuraavaa taajuusmuuttajaa. Valintalauseen Modbus-kyselyissä käytetään Beckhoffin Modbus RTU -kirjastoa. Liitteestä 2 löytyy tehty ohjelma.

30 Kuva 10. Vuokaavio 30

31 31 6 TULOKSET Opinnäytetyön tuloksena saatiin toimiva toimilohko, joka ohjaa toimilohkolle annettujen tietojen perusteella sarjaliikenneväylään liitettyjä taajuusmuuttajia Modbus-protokollalla. Toimilohko tukee Danfoss HVAC Drive- ja ABB ACS550 - taajuusmuuttajia. Toimilohkon sisäinen ohjelmakoodi on suunniteltu niin, että siihen on helppo lisätä uusia taajuusmuuttajia tarpeen vaatiessa. Kuva 11. Valmis toimilohko Toimilohkon käyttö: Toimilohkon osoitetulotaulukkoon (array) määritetään käytettyjen taajuusmuuttajien Modbus-osoitteet indeksijärjestykseen. Taajuusmuuttajan mallitaulukkoon laitetaan taajuusmuuttajan mallia vastaava numero siinä järjestyksessä, miten Modbus-osoitteet on laitettu. Taajuusmuuttajien mallit kerrotaan toimilohkolle numeroin. Malli numero 1 on ABB ACS550 - taajuusmuuttaja ja malli numero 2 on Danfoss HVAC Drive -taajuusmuuttaja. Toimilohkon lukurajapinnan (readdata) taulukosta saadaan taajuusmuuttajan tilatiedot ja asetetut kenttäväylän lähtödatat. Sarakerivin ensimmäinen indeksi kertoo taajuusmuuttajan kenttäväylän tilatiedon. Toinen indeksi kertoo taajuusmuuttajan kenttäväylädatalähdön ensimmäisen arvon aina yhdeksänteen indeksiin saakka. Indeksin oloarvo riippuu siitä, mitä siihen on asetettu taajuusmuuttajasta. Taulukko 4 sisältää yhdenmukaistetut oloarvot kaikille kenttäväylän taajuusmuuttajille.

32 32 Kuva 12. Taajuusmuuttajan osoite-, malli ja readdata-taulukko. Toimilohkon kirjoitusrajapinnan (writedata) taulukosta pystytään ohjaamaan taajuusmuuttajia. Taulukon ensimmäisestä sarakerivistä ohjataan ensimmäistä toimilohkon määritettyä taajuusmuuttajaa. Toisesta sarakerivistä ohjataan seuraavaa taajuusmuuttajaa, eli jokainen liitetty taajuusmuuttaja näkyy omalla sarakkeellan. Kirjoitustaulukon sarakerivin ensimmäisellä indeksillä kirjoitetaan taajuusmuuttajalle ohjaussana. Toisella indeksillä kirjoitetaan haluttu taajuusohje. Taajuusohje ilmoitetaan 0,01 Hz:n tarkkuudella. Jos halutaan esimerkiksi taajuusmuuttajan taajuusohjeeksi 50 Hz, niin täytyy taajuusohjeindeksiin kirjata 5000.

33 Kuva 13. Taajuusmuuttajan kirjoitusrajapintataulukko. 33

34 34 7 POHDINTAA JA YHTEENVETO Toimilohkon kehittäminen taajuusmuuttajille oli monipuolista, se ei ollut pelkän Beckhoff-logiikan ohjelmointia. Taajuusmuuttajan kenttäväylän ohjausta varten piti tutustua sarjaliikenteeseen, toimilaitteiden kenttäväyläasetuksiin ja Modbusprotokollaan. Opinnäytetyön teoriaosuudessa käydään läpi käytettyä tekniikkaa. Teoriaa on kerrottu silla laajuudella, mitä tarvittiin toimilohkon kehittämiseen. Teoriaosion jälkeen käydään läpi kenttäväylän käyttöönoton vaiheet. Käyttöönoton jälkeen kerrotaan toimilohkon kehittämisestä. Opinnäytetyön lopputuloksena saatiin toimiva toimilohko. Toimilohkoa on käytetty kokeilumielessä vesihuollon projektissa ja se toimi halutulla tavalla, vaikka taajuusmuuttajaa ohjataan eri tavalla, kuin oli aluksi ajatellut. Taajuusmuuttajille annetaan käyntilupa omalla johdinparilla, koska kenttäväylässä saattaa tulla häiriöitä. Näin varmistetaan, ettei taajuusmuuttaja jää päälle mahdollisessa kenttäväylän häiriötilassa. Vaikka taajuusmuuttajan ohjaus toteutuu eri tavalla, niin se ei vaikuta tehtyyn toimilohkon ohjelmaan. Ohjaussana ei jää turhaksi, vaan sitä voidaan käyttää vikakoodin kuittaamiseen etänä. Toimilohkoa voi jatkokehittää myös muiden Modbus-prokollaa tukevien kenttälaitteiden ohjausta ja antureiden mittatietojen lukemista varten. Vaikka Modbus-protokolla on vanha tapa siirtää dataa kenttäväylässä, niin sitä tuetaan edelleen laajasti kenttälaitteissa.

35 35 LÄHTEET ABB TTT-käsikirja. Teknisiä tietoja ja taulukoita -käsikirja. [Verkkojulkaisu] ABB Corporate Communications. [Viitattu ]. Saatavissa: enne.pdf ABB ACS550-01/U1 taajuusmuuttajat: Käyttäjän opas. Helsinki: ABB ABB Mikä taajuusmuuttaja on?. [www-dokumentti]. ABB OY [Viitattu ]. Saatavissa: f7cc.aspx Beckhoff MbRTU. Ei päiväystä. ModbusRtuMaster_KL6x22B. [Verkkojulkaisu] Beckhoff Automation GmbH & Co. KG. [Viitattu ]Saatavissa: srtu/ html&id= Beckhoff Overview. Ei päiväystä. Overview. [Verkkojulkaisu] Beckhoff Automation GmbH & Co. KG. [Viitattu ]Saatavissa: srtu/ html&id= Beckhoff TSM.Ei päiväystä. TwinCAT System Manager. [Verkkojulkaisu]. Beckhoff Automation GmbH & Co. KG. [Viitattu ]. Saatavissa: ommon_intro.htm?id= Depos. Ei päiväystä. Depos Oy. Depos on tiedonsiirron ja tietokantapalveluiden asiantuntijayritys. [www-sivu]. Depos Oy. [Viitattu ]. Saatavissa: FläktWoods Modbus-datatyypit. [www-lähde.] Fläkt Woods Oy. [Viitattu ]. Saatavissa: Kettunen, A Automaatiojörjestelmien digitaaliset tiedonsiirtotekniikat: Kenttäväylät teollisuusautomaatiossa. Kotka: Tietokotka Modbus APS Application Protocol Specification V1.1. [Verkkojulkaisu]. Modbus.org. [Viitattu ]. Saatavissa:

36 36 Modicon MPRG Modbus Protocol Reference Guide. [Verkkojulkaisu]. Modicon, Inc., Indrustial Automation Systems. [Viitattu ]. Saatavissa: MOXA TCC-80/TCC-80I. [www-lähde]. Moxa Inc. [Viitattu ]. Saatavissa: Piikkilä, Veijo, v. & Sahlstén, T ST-käsikirja 21 Kiinteistöjen tiedonsiirtoväylät. Espoo: Sähköinfo Oy Schneider Electric. Ei päiväystä. Modbus. [www-verkkojulkaisu]. Schneider Electric. [Viitattu ]. Saatavissa: Sähkönet. Ei päiväystä.taajuusmuuttajan. [www-lähde] Jyväskylän koulutuskuntayhtymä. [Viitattu ]. Saatavissa: TI RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations. [www-verkkojulkaisu]. Texas Instruments Incorporated. [Viitattu ]. Saatavissa:

37 37 LIITTEET Liite 1. Toimilohkon ohjelmakoodin muuttujat Liite 2. Toimilohkon ohjelmakoodia.

38 LIITE 1 Toimilohkon ohjelmakoodin muuttujat 1(1)

39 Liite 2 Toimilohkon ohjelmakoodia.