基于Modbus总线的变频调速系统设计

文 方， 欧阳嵩

(江西现代职业技术学院，江西南昌 330095)

0 引言

变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，变频调速已成为现代电机控制技术的重要发展方向。如果把总线通信与变频控制技术统一起来，将推动交流电机群控技术以及设备远程监控技术的发展。Modbus作为一种通用的现场总线，已经得到了广泛应用，很多厂商的工控器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、变频器、智能 I/O 与 A/D模块都具备Modbus通信接口。通过Modbus总线，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。

1 Modbus通信协议

Modbus协议是MODICON公司开发的一种开放式现场总线通信协议，由于其功能完善而且使用简单，数据易于处理，因此在各种智能设备中被广泛采用。尤其适用于小型控制系统或单机控制系统，可实现低成本、高性能的主从式计算机网络监控。Modbus只定义了通信消息的结构。一个Modbus信息帧包括从机地址、功能码、数据区、数据校验码，对端口没有具体规定。Modbus的数据通信采用主/从方式，主设备可以单独和从设备通信，也可以通过广播方式和所有从设备通信。单独通信时，从设备需要返回一消息作为回应;以广播方式查询的，则不作任何回应。由于Modbus协议所具有的良好的适用性，已经得到了诸如GE、SIMENS等大公司的应用，并把它作为一种标准的通信接口提供给用户。

1.1 Modbus通信格式

Modbus协议定义了两种传输模式，即RTU和ASCII。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送，而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送。发送同样的数据时，RTU模式的效率约为ASCII模式的2倍。一般来说，数据量少且主要是文本时采用ASCII;数据量大且是二进制数值时，多采用RTU模式。主站一次可向一个或所有从站发送通信请求(或指令)，主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为从站地址、功能码、数据域(数据起始地址、数据量、数据内容)、CRC校验码;从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。Modbus除了定义通信功能秒之外，同时还定义了出错码，标志出错信息。主站接收到错误码后，根据错误的原因采取相应的措施，从站应答的数据内容依据功能码进行响应。

1.2 CRC校验的实现

Modbus通信的RTU模式中，规定信息帧的最后两个字节用于传递CRC(循环冗余校验)码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行异或计算，得到2字节的CRC码，把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算，并将结果与收到的CRC码的双字节比较，如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从站将发送CRC错误应答。

RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法，CRC-16的校验码为16位(2字节)。实现CRC校验有两种方法:根据CRC校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立CRC校验值表。在程序中使用前者更容易实现，这里需要使用CRC生成多项式X16+X15+X2+1。该多项式对应的码组系数为18005H(16进制)，去除最高位，对应的16位余数为8005H，即为CRC-16常数。

CRC-16校验过程如下:将CRC寄存器的每一位预置为1;把该寄存器值与8 bit的信息帧数据进行异或，结果存于该寄存器;对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位(MSB)的位置补零，而最低位(LSB)如果为1，则把寄存器与CRC-16常数进行异或，否则如果LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8 bit数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8 bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC添加到消息中时，先加入低字节，然后高字节。

1.3 链路特征［1］

Modbus标准的物理层可以采用RS-232串行通信方式，但在长距离通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多点通信情况下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的Modbus系统采用屏蔽双绞线，通信距离可达1 000 m。一条总线上最多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的，避免了线路的冲突。

RTU模式的传输格式是1个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数CRC-16码保证。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。

1.4 Modbus总线通信的数据流程

在采用Modbus总线构建的数据采集与监控系统中，主站和从站中的控制设备上都要实现Modbus通信协议。主站控制器的通信协议实现过程流程图如图1所示。

图1 通信协议实现过程流程图

2 基于Modbus的变频调速系统实现

2.1 系统构成

选用自带Modbus总线接口的变频器，整合PLC、单片机或者PC机作为主站的控制器，可以组建生产线自动控制系统，发挥Modbus总线控制和变频调速的优良性能，实现设备的集中式控制，系统的组成原理图如图2所示。一般变频器除电压、电流、脉冲输入和旋钮控制外，均支持点到点的Modbus协议通信，硬件接口采用RS-422/485串行方式;软件接口协议采用Modbus RTU模式，消息帧中的每个8 bit字节包含2个4 bit的十六进制数字字符。

图2 Modbus控制系统组成原理图

图2中的微控制器AT89C51扩展了2个通信口，一个是RS-232串口预留备用，另外通过芯片MAX485扩展RS-485接口。AT89C51作为主站微控制器，它通过RS-485总线方式，将多台变频器和具备Modbus RTU接口的智能型从站组成一个数字通信控制网络。AT89C51可以向从站变频器发送参数设置、起停、数据查询等指令，而变频器则根据指令要求控制电机系统运行，并返回信息。该系统不仅可以实现对交流电机的远程控制，还可以通过单片机与人机界面连接，完成整个生产线的起动、升速、降速停车等操作和监控。通过主站控制器的设置按钮，可以对系统操作参数进行设计，对于一些重要的参数直接存储在32 K字节的EEPROM芯片AT24C32中。通过设置变频器参数，可自由切换系统运行在手动或自动控制模式下。该系统的优点在于:(1)AT89C51直接利用Modbus协议对交流变频器读写，无需使用其他附件进行组态，简化了硬件，并可实时获取各变频器的工作状态，包括运行状态、运行参数、故障报警等;(2)主站控制器与从站变频器之间的连接只有两根通信线，极大地减少了线路连接的复杂性，提高了系统可靠性;(3)延长了系统的控制距离;(4)采集电机各运行参数并通过LCD显示，不需要各种现场智能仪表，极大地减少了线路连接的复杂性;(5)能与高精度网络方便地进行交换信息，从而实现工厂高度自动化。

2.2 系统软件设计［2］

单片机程序使用C语言编写，采用自上而下的模块化设计方法，整个程序包括系统初始化、串口发送、串口中断接收、485通信、LCD显示、键盘接收、报警等功能子模块。应用程序中，Modbus协议通信由通信子模块实现，包含CRC-16计算与验证、信息帧的编制和分解。每一条指令可以对指定地址的变频器进行操作;信息帧中包括数据的字节数、起始地址等。一般变频器只使用3个功能码，例:03H、08H、10H，分别实现数据读出、回路反馈测试和数据写入的功能。为了实现Modbus总线控制，需要预先设置变频器的操作参数:n003=2(设备起停通过总线方式控制)，n004=6(输出频率由总线通信方式控制)，n151～n157中完成通信参数的设置。设计中，可将变频器设置为无超时检测、频率指令单位为0.01 Hz、通信波特率为 9 600 bps、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位、RS控制，而变频器地址可设为0～32。设置好变频器参数后，控制器可以通过RS-485总线发送通信指令，通信流程如图3所示，单片机的主站指令与变频器/智能设备的响应信号之间具有一定的时间间隔，在程序中可通过循环延时语句实现［2］。

图3 Modbus总线通信流程图

3 结 语

开发的Modbus总线控制变频调速系统应用于水泥配料生产中。在该生产线上，以单片机为核心的控制器通过Modbus总线控制4台调速秤配料机的变频器，这4台变频器通过变速机构和电机分别控制各变频器的频率。实践表明，Modbus总线通信、变频调速和液晶显示技术的应用，减少了控制系统的布线数量，提高了系统集成度和可靠性，水泥配料成分可在大范围内随意调控，其良好的用户界面大大改善了设备的操作性能，降低了成本，提升了产品的市场竞争力。

［1］徐涛，闫科，赵景林.基于MODBUS协议的串行接口实现与DCS通讯［J］.工业控制计算机，2002，15(3):56-57.

［2］潘洪跃.基于MODBUS协议通信的设计与实现［J］.计量技术，2002(4):35-36.