摘要：本文對MODBUS總線在變頻調速控制系統中的應用進行了探討。介紹了MODBUS通信協議的基本規范，簡述了電機控制系統中的變頻調速技術。以安川VS606-V7變頻器和單片機89S52為基礎，開發了基于MODBUS通信的變頻調速系統，并說明了該系統的硬件組成和相關軟件開發。 關鍵詞：MODBUS 變頻調速 控制系統 引言 現代工業自動控制系統朝智能化、網絡化和開放式結構的方向發展。利用現場總線技術，將符合同一標準的各種智能設備統一起來，徹底實現整個監測系統的分散控制，將提高系統集成度和數據傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統抗干擾性能和擴展系統功能。在設備的底層控制中，變頻調速已成為現代電機控制技術的重要發展方向。如果把總線通信與變頻控制技術統一起來，將推動交流電機群控技術以及設備遠程監控技術的發展。MODBUS作為一種通用的現場總線，已經得到很廣泛的應用，很多廠商的工控器、PLC、變頻器、智能I/O與A/D模塊具備MODBUS通訊接口。本文在闡述MODBUS通信協議的基礎上，構建了基于MODBUS的變頻調速控制系統，并探討了該系統在月餅自動包陷生產線上的應用。 1 MODBUS總線控系統的技術特征 MODBUS通訊協議是一種工業現場總線通訊協議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質，可以承載于多種網絡類型中。MODBUS協議把通信參與者規定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），數據和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準MODBUS網絡時，信息被直接傳送。MODBUS總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發出請求，從站應答請求并送回數據或狀態信息，從站不能夠自己發送信息。MODBUS協議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告傳輸錯誤等。網絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發出的命令。 由于MODBUS總線系統開發成本低，簡單易用，并且現在已有很多工控器、PLC、變頻器、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產的控制設備連成工業網絡，進行集中監控。 MODBUS最初為PLC通信而設計，它通過24種總線命令實現PLC與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數據傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。 1.1 MODBUS通信格式 MODBUS協議定義了兩種傳輸模式，即RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII。在RTU模式中，1字節的信息作為一個8位字符被發送，而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送，如發送字符“20”時，采用RTU模式時為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）。可見，發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來說，數據量少而且主要是文本時采用ASCII；通信數據量大而且是二進制數值時，多采用RTU模式。 主站一次可向一個或所有從站發送通信請求（或指令），主設備通過消息幀的地址域來選通從設備。主站發送的消息幀的內容和順序為：從站地址、功能碼、數據域（數據起始地址、數據量、數據內容）、CRC校驗碼；從站應答的信息內容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數據內容依據功能碼進行響應，例如功能代碼03要求讀取從站設備中保持寄存器的內容。 1.2 CRC校驗的實現 MODBUS通信的RTU模式中，規定信息幀的最后兩個字節用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環冗余校驗）碼。發送方將信息幀中地址域、功能碼、數據域的所有字節按規定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發送CRC錯誤應答。 RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節），其中低字節在前，高字節在后。實現CRC校驗有兩種方法：根據CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應的碼組系數為18005H（16進制），去除最高位，對應的16位余數為8005H，即為CRC-16常數。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數據進行異或，結果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，而最低位（LSB，移位后已經被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數據處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數據異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時，先加入低字節，然后高字節。 1.3 鏈路特征 MODBUS標準的物理層可以采用RS-232串行通信方式，但在長距離通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多點通信情況下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系統采用屏蔽雙絞線，通信距離可達1000m。一條總線上最多可配置31個從站設備。傳輸線上的信息交換是半雙工的，即同時只能有一臺設備允許發送信息，主站在發送下一條指令之前等待從站回應，從而避免了線路的沖突。 RTU模式的傳輸格式是1個數據位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。通信數據安全由控制參數CRC-16碼保證。RTU接收設備依靠接收字符間經過的時間判斷一幀的開始，如果經過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設備就會放棄該幀，并設下一個字符為新一幀的開始。 1.4 MODBUS總線通信的數據流程 在采用MODBUS總線構建的SCADA系統中，主站和從站中的控制設備上都要實現MODBUS通信協議。主站控制器的通信協議實現過程可以表示為圖1。 2 變頻控制的基本原理 根據電機學原理,交流電動機轉速公式為: n= （1-s） n0 =60f（1-s） /p 式中：n為電動機轉速；n0為同步轉速；f為電源頻率；p為電動機磁極對數；s為轉差率。 由上式可知，當p和轉差率s不變時，電動機轉子轉速n與定子電源頻率f成正比，連續改變異步電機供電電源的頻率，則可連續平滑地調節電動機的轉速。這即是變頻器的工作原理。 通用型變頻器基本上采用V/F控制方式，即變頻器輸出電壓的頻率F 和輸出電壓幅值U同時得到控制，并保證V/F的值恒定。工作時，變頻器主電路實現交流－直流－交流的變換過程，內部微控制器根據現場設定信號調節PWM輸出頻率，它控制了MOSFET管的導通時間，改變主電路的輸出頻率，實現調節電機的輸出轉速的目的。 變頻器自帶有完善的保護功能，如過流、過壓、欠壓、過熱、過載等功能。當電機發生堵轉等故障時,變頻器應可靠跳閘，以保護電機。變頻器每次故障都有故障記憶，可將最新的故障記憶下來，以便運行人員進行故障分析。現在很多變頻器都帶有PID功能，接受速度傳感器信號，在變頻器內部完成閉環控制功能。 變頻器輸出的電源頻率可通過操作面板的手動旋鈕調節，也可在頻率設置輸入端上接入控制信號（電壓、電流、頻率或者數字量）實現遠程控制模式。變頻器的遠程控制方法包括：（1）0～10V電壓輸入；（2）4～20mA 電流輸入；（3）脈沖頻率控制；（4）總線通信控制，現在多數變頻器支持Modbus、Profibus等總線控制。變頻器還可實現手動/自動工作模式的自由切換，在自動模式下，上述模擬量或數字量的輸入需要控制器來實現；切換到手動方式時，通過調節外部電位器對本身基準電壓進行分壓，即可獲得0～10V的控制電壓。 3 基于MODBUS的變頻調速系統實現 3.1 系統構成 選用自帶MODBUS總線接口的變頻器，整合PLC、單片機或者PC機作為主站的控制器，可以組建生產線自動控制系統，發揮MODBUS總線控制和變頻調速的優良性能，實現設備的集中式控制。系統的組成原理見圖2，在總線的兩個終端需配置120歐姆電阻。安川（YAKAZAWA）VS606 V7交流變頻器，除了電壓、電流、脈沖輸入和旋鈕控制外，還支持點到點的MODBUS 協議通信，其硬件接口采用RS422/485串行方式；軟件接口協議采用MODBUS RTU模式，消息幀中的每個8Bit字節包含兩個4Bit的十六進制數字字符。 圖2中的微控制器AT89S52擴展了2個通訊口，一個是RS232串口預留備用，另外通過芯片MAX485擴展RS485接口。AT89S52作為主站微控制器，它通過RS485總線方式，將多臺V7變頻器和具備MODBUS RTU接口的智能型從站組成一個數字通信控制網絡。AT89S52可以向從站變頻器發送參數設置、啟停、數據查詢等指令，而變頻器則根據指令要求控制電機系統運行，并返回信息。該系統不僅可以實現對交流電機的遠程控制，而且還可以通過89S52與人機界面連接，完成整個生產線的啟動、升速、降速停車等操作和監控（模擬圖顯示、參數設置和只要歷史記錄數據瀏覽）。該系統的優點在于：（1）89S52直接利用MODBUS協議對交流變頻器讀寫，無需使用其它附件進行組態，簡化了硬件，并可實時獲取各變頻器的工作狀態，包括運行狀態、運行參數、故障報警等。（2）主站控制器與從站變頻器之間的連接只有兩根通信線，極大較少了線路連接的復雜性，提高了系統可靠性；（3）延長了系統的控制距離；（4）采集電機各運行參數并顯示在LCD上，不需要各種現場智能儀表，極大地較少了線路連接的復雜性；（5）能與高精度網絡方便地進行交換信息，從而實現工廠高度自動化。通過主站控制器的設置按鈕，可以對系統操作參數進行設計，對于一些重要的參數直接存儲在32K字節的EEPROM芯片AT24C32中。通過設置變頻器參數，可實現系統運行在手動或程序自動控制模式下，并可自由切換。 3.2 系統軟件設計 單片機程序使用C51語言編寫，采用自上而下的模塊化設計方法，整個程序包括系統初始化、串口發送、串口中斷接收、485通訊、LCD顯示、鍵盤接收、報警等功能子模塊。應用程序中，MODBUS協議通信由通訊子模塊實現，包含CRC-16計算與驗證、信息幀的編制和分解。 每一條指令可以對指定地址的變頻器進行操作；信息幀中包括數據的字節數、起始地址等。V7變頻器只使用3個功能碼：03H、08H、10H，分別實現數據讀出、回路反饋測試和數據寫入的功能，其描述如表1所示。為了實現MODBUS總線控制，需要預先設置變頻器的操作參數：n003=2（設備啟停通過總線方式控制），n004＝6（輸出頻率由總線通信方式控制），n151～n157中完成通信參數的設置。本系統中，將變頻器設置為無超時檢測、頻率指令單位為O.01HZ、通信波特率為9600bps、無奇偶校驗、8位數據位、1位停止位、RS控制，而變頻器地址可以設為0～32。設置好變頻器參數之后，控制器可以通過RS485總線發送通信指令，通信流程可以由圖3表示，單片機的主站指令與變頻器/智能設備的響應信號之間具有一定的時間間隔，在程序中需要通過循環延時語句實現。 4 結語 我們將本文開發的MODBUS總線控制變頻調速系統應用于月餅自動包陷生產線中。在該生產線上，以單片機為核心的控制器通過MODBUS總線控制4臺V7變頻器，這4臺變頻器通過變速機構和電機分別控制一個月餅的外陷量、內陷量、皮量和刀盤的收口頻率。實踐表明，MODBUS總線通信、變頻調速和液晶顯示技術的應用，減少了控制系統的布線數量，提高了系統集成度和可靠性，月餅成分可在大范圍內隨意調整，其良好的用戶界面大大改善了設備的操作性能，提升了產品的市場競爭力。因此，直接利用MODBUS協議對其組網監控，是機械設備控制系統獲得低成本、高性能的好途徑。 參考文獻： 1. 閻文生, 楊煒， 陳世權等.變頻調速器在給粉機轉速控制系統改造中的應用.電力學報，2000（2）. 2. 章紹東.通用變頻器的原理與設計.電子質量，2003（12）. 3. 盧文俊，冷杉，楊建軍.基于MODBUS協議的控制器遠程監控系統. 電力自動化設備，2003，23（6）. 4. 徐濤，閆科，趙景林. 基于MODBUS協議的串行接口實現與DCS通訊.工業控制計算機，2002，15（3）. 5. 潘洪躍. 基于MODBUS 協議通信的設計與實現.計量技術，2002,（4）. 6. 王有慶，田涌濤，李從心. 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