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。MODBUS作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商的工控器、PLC、变频器、智能I/O与A/D模块具备MODBUS通讯接口。本文在阐述MODBUS通信协议的基础上，构建了基于MODBUS的变频调速控制系统，并探讨了该系统在月饼自动包陷生产线上的应用。
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。
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除了定义通信功能码之外，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，例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。
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。
1.3 链路特征
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1000m。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，即同时只能有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从站回应，从而避免了线路的冲突。
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SCADA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可以表示为图1。
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。
变频器输出的电源频率可通过操作面板的手动旋钮调节，也可在频率设置输入端上接入控制信号（电压、电流、频率或者数字量）实现远程控制模式。变频器的远程控制方法包括：（1）0～10V电压输入；（2）4～20mA 电流输入；（3）脉冲频率控制；（4）总线通信控制，现在多数变频器支持Modbus、Profibus等总线控制。变频器还可实现手动/自动工作模式的自由切换，在自动模式下，上述模拟量或数字量的输入需要控制器来实现；切换到手动方式时，通过调节外部电位器对本身基准电压进行分压，即可获得0～10V的控制电压。
3 基于MODBUS的变频调速系统实现
3.1 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。系统的组成原理见图2，在总线的两个终端需配置120欧姆电阻。安川（YAKAZAWA）VS606 V7交流变频器，除了电压、电流、脉冲输入和旋钮控制外，还支持点到点的MODBUS 协议通信，其硬件接口采用RS422/485串行方式；软件接口协议采用MODBUS RTU模式，消息帧中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制数字字符。
图2中的微控制器AT89S52扩展了2个通讯口，一个是RS232串口预留备用，另外通过芯片MAX485扩展RS485接口。AT89S52作为主站微控制器，它通过RS485总线方式，将多台V7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。AT89S52可以向从站变频器发送参数设置、启停、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，而且还可以通过89S52与人机界面连接，完成整个生产线的启动、升速、降速停车等操作和监控（模拟图显示、参数设置和只要历史记录数据浏览）。该系统的优点在于：（1）89S52直接利用MODBUS协议对交流变频器读写，无需使用其它附件进行组态，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，极大较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显示在LCD上，不需要各种现场智能仪表，极大地较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。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32K字节的EEPROM芯片AT24C32中。通过设置变频器参数，可实现系统运行在手动或程序自动控制模式下，并可自由切换。
3.2 系统软件设计
单片机程序使用C51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通讯、LCD显示、键盘接收、报警等功能子模块。应用程序中，MODBUS协议通信由通讯子模块实现，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。V7变频器只使用3个功能码：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，其描述如表1所示。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（设备启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。本系统中，将变频器设置为无超时检测、频率指令单位为O.01HZ、通信波特率为9600bps、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位、RS控制，而变频器地址可以设为0～32。设置好变频器参数之后，控制器可以通过RS485总线发送通信指令，通信流程可以由图3表示，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，在程序中需要通过循环延时语句实现。
4 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。
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