摘要：
本文对MODBUS总线在变频调速控制系统中的应用进行了探讨。介绍了MODBUS通信协议的基本规范，简述了电机控制系统中的变频调速技术。以安川VS606-V7变频器和单片机89S52为基础，开发了基于MODBUS通信的变频调速系统，并说明了该系统的硬件组成和相关软件开发。
关键词：MODBUS 变频调速 控制系统
引言
现代工业自动控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。利用现场总线技术，将符合同一标准的各种智能设备统一起来，彻底实现整个监测系统的分散控制，将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效控制距离，并有利于提高系统抗干扰性能和扩展系统功能。在设备的底层控制中，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 。
1 MODBUS总线控系统的技术特征
MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议，它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”（Master）和“从站”（Slave），数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准MODBUS网络时，信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式，描述了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。
由于MODBUS总线系统开发成本低，简单易用，并且现在已有很多工控器、PLC、变频器、显示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准。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。
MODBUS最初为PLC通信而设计，它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应。
1.1 MODBUS通信格式
MODBUS协议定义了两种传输模式，即RTU（Remote Terminal Unit）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，如发送字符“20”时，采用RTU模式时为“00100000”，然而采用ASCII模式则成为“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）。可见，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ASCII；通信数据量大而且是二进制数值时，多采用RTU模式。
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（Cyclic Redundancy Check，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XOR（异或）计算，即可得到2字节的CRC码，并把包含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，并将结果同收到的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），其中低字节在前，高字节在后。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8bit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，移位后已经被移出CRC寄存器）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8bit数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8bit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。
2 变频控制的基本原理
根据电机学原理,交流电动机转速公式为:
n= （1-s） n0 =60f（1-s） /p?
式中：n为电动机转速；n0为同步转速；f为电源频率；p为电动机磁极对数；s为转差率。
由上式可知，当p和转差率s不变时，电动机转子转速n与定子电源频率f成正比，连续改变异步电机供电电源的频率，则可连续平滑地调节电动机的转速。这即是变频器的工作原理。
通用型变频器基本上采用V/F控制方式，即变频器输出电压的频率F 和输出电压幅值U同时得到控制，并保证V/F的值恒定。工作时，变频器主电路实现交流－直流－交流的变换过程，内部微控制器根据现场设定信号调节PWM输出频率，它控制了MOSFET管的导通时间，改变主电路的输出频率，实现调节电机的输出转速的目的。
变频器自带有完善的保护功能，如过流、过压、欠压、过热、过载等功能。当电机发生堵转等故障时,变频器应可靠跳闸，以保护电机。变频器每次故障都有故障记忆，可将最新的故障记忆下来，以便运行人员进行故障分析。现在很多变频器都带有PID功能，接受速度传感器信号，在变频器内部完成闭环控制功能。
3 结语
我们将本文开发的MODBUS总线控制变频调速系统应用于月饼自动包陷生产线中。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V7变频器，这4台变频器通过变速机构和电机分别控制一个月饼的外陷量、内陷量、皮量和刀盘的收口频率。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，月饼成分可在大范围内随意调整，其良好的用户界面大大改善了设备的操作性能，提升了产品的市场竞争力。因此，直接利用MODBUS协议对其组网监控，是机械设备控制系统获得低成本、高性能的好途径。
