基于Modbus的通信控制在熱量表檢定裝置中的實現(xiàn)*

李 鋒 周秉直 馬 軍

(1.陜西省計量科學(xué)研究院，西安 710065；2.楊凌質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測所, 楊凌 712100)

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基于Modbus的通信控制在熱量表檢定裝置中的實現(xiàn)*

李 鋒1周秉直1馬 軍2

(1.陜西省計量科學(xué)研究院，西安 710065；2.楊凌質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測所, 楊凌 712100)

介紹一種基于Modbus總線，實現(xiàn)工控機對多臺艾默生EV 1000變頻器(由接收器輸入阻抗決定，最高可接256臺設(shè)備)進行通信控制的方法；它充分發(fā)揮了智能設(shè)備的優(yōu)越性，減少了控制導(dǎo)線，提高了控制的可靠性；該裝置運行的結(jié)果表明該方法設(shè)計實用、簡單、可靠、穩(wěn)定。

Modbus；RS-232；RS-485；通信控制

0 引言

傳統(tǒng)上，我們通常采用在變頻器上的操作面板對參數(shù)進行本地設(shè)置，尤其在變頻器數(shù)量較多的情況下，需要對每一臺變頻器進行操作，工作量較大，同時可能會出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置的遺漏和誤操作等現(xiàn)象，造成變頻器工作不正常；此外由于變頻器的配置參數(shù)僅存儲于變頻器的內(nèi)存中，尤其在修改變頻器參數(shù)和需要更換變頻器的場合，以及需要曲線控制的情況下，無法實現(xiàn)對變頻器參數(shù)的統(tǒng)一管理。

采用通信控制方式時，可以利用總線的集中管理功能，通過上位機編程，自動將單臺或多臺變頻器需要調(diào)整的參數(shù)進行統(tǒng)一設(shè)置和修改，避免了參數(shù)設(shè)置的遺漏和誤操作現(xiàn)象。同時，由于這些參數(shù)存儲于上位機中，我們可以實現(xiàn)變頻器參數(shù)的統(tǒng)一管理，為文件的歸檔和類似系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)提供了便利；實現(xiàn)了變頻器參數(shù)的無差錯復(fù)制設(shè)置，提高了系統(tǒng)的可維護性。

在熱量表檢定裝置中,通過工控機與變頻器的通信，結(jié)合EV1000變頻器的特點,在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上, 利用總線方式實現(xiàn)工控機對單臺或多臺變頻器進行通信控制的方法。總體原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體原理結(jié)構(gòu)

1 協(xié)議簡介

1.1 協(xié)議

Modbus是一個應(yīng)用層通信協(xié)議，目前基于Modbus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)主要有三種：

1)異步串行傳輸(RS-232、RS-422/485)；

2)Modbus Plus高速令牌網(wǎng)；

3)TCP/IP以太網(wǎng)。

本文采用Modbus異步串行傳輸網(wǎng)絡(luò)。Modbus協(xié)議定義了一個獨立于基本通信層的簡單的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，Protocol Data Unit)，由功能代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)組成；在特定總線或網(wǎng)絡(luò)上，可以通過引入一些輔助區(qū)形成應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU，Application Data Unit)，如圖2所示。

圖2 Modbus結(jié)構(gòu)圖

對異步串行傳輸，Modbus協(xié)議定義的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)的長度最大為256個字節(jié)，包括服務(wù)器地址的1個字節(jié)和錯誤校驗(CRC)的2個字節(jié)，則協(xié)議數(shù)據(jù)單元()PDU的最大長度為253字節(jié)。同時，對于數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的地址和數(shù)據(jù)，當數(shù)值大于1個字節(jié)時，數(shù)據(jù)的傳輸是高位字節(jié)先發(fā)送，如數(shù)值“1234H”，先發(fā)送“12H”，再發(fā)送“34H”。

協(xié)議有 ASCII 和 RTU (遠程終端單元)兩種傳輸方式(如圖3)，在ASCII 方式中，消息中的每個8Bit字節(jié)需2個ASCII字符；在RTU方式，每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符，每個消息必須以連續(xù)的流傳輸。

圖3 傳輸方式

消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送(從左到右)：最低有效位...最高有效位。主站與從站之間通信的內(nèi)容包括主站對從站的讀取和寫入，Modbus規(guī)定，只有主站具有主動權(quán)，從站只能被動的響應(yīng)，包括回答出錯信息。數(shù)據(jù)通信的方式一般如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信方式

1.2 RS-232和RS-485接口

標準的 Modbus物理層采用了RS-232串行通信標準，遠距離或多點通信時可以考慮用RS-422或者RS-485來代替。Modbus通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主從模式，因此在工業(yè)領(lǐng)域采用半雙工的RS-485較多。

RS-232是美國電子業(yè)協(xié)會EIA制定的一種串行物理接口標準。一般常用的工控機都有RS-232串行通信接口，很少有RS-485串口。為了與EV1000通信，可以添加RS-485串口模塊，但成本相對較高。為此，我們采用RS-232/ RS-485接口轉(zhuǎn)換器。

本設(shè)計中采用的是RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。一端可以直接插在工控機COM口上，另一端提供一個半雙工的RS-485接口，直接連接EV1000的接線端子。EV1000與上位機的接線如圖5所示。

圖5 EV1000與上位機的接線

2 變頻器通信控制應(yīng)用

2.1 變頻器通信控制的操作步驟

在EV1000初次運行和機械系統(tǒng)調(diào)試階段，為了防止可能由于某些其它因素，尤其是來自機械系統(tǒng)方面的因素，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，而誤認為通信控制方式失敗或可靠性不高現(xiàn)象的發(fā)生，正確的操作步驟應(yīng)該分下列三步進行：

1)采用面板操作模式或本地模式實現(xiàn)對每個EV1000的單機控制，同時對EV1000的相應(yīng)參數(shù)進行修改和調(diào)整。這樣做的好處有三點，一是可以以傳統(tǒng)的方式成功實現(xiàn)EV1000和機械系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，二是可以暫時先不考慮通信控制所帶來的相關(guān)問題，三是在主控制器上無須編寫EV1000參數(shù)設(shè)置部分的程序。

2)按相關(guān)要求建立好總線連接，同時在主控制器上編寫簡單的調(diào)試程序，也可以應(yīng)用相應(yīng)總線的計算機調(diào)試軟件，對總線上的每一臺設(shè)備進行逐個通信測試。這樣做的目的是以簡單的方式確認系統(tǒng)硬件連接無誤和通信正常，預(yù)先排除復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用過程中因通信控制而可能產(chǎn)生的問題。

3)在上述兩步驟正確無誤的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的實際要求和相關(guān)通信控制原則編寫適當?shù)膽?yīng)用程序，實現(xiàn)變頻器通信控制的目的。

2.2 變頻器參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整

EV1000變頻器為用戶提供了幾乎全部的內(nèi)部通信變量，但并不意味著在通信控制方式下需要對所有的變頻器參數(shù)進行重新設(shè)置或調(diào)整。事實上，僅需在變頻器出廠缺省的設(shè)置基礎(chǔ)上對少數(shù)參數(shù)(如電機參數(shù)、加/減時間等)進行修改，就可以通過監(jiān)視參數(shù)和控制參數(shù)的讀寫操作，實現(xiàn)基本的變頻器通信控制。

當然，在系統(tǒng)實際要求和條件許可的情況下，我們可以靈活地應(yīng)用變頻器通信控制方式所帶來的優(yōu)勢，如以通信方式讀取某一臺變頻器中已調(diào)整好的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)預(yù)定的方式對這些參數(shù)進行修正后，再寫入其它運行模式相似的變頻器中。

如前文所述，變頻器參數(shù)設(shè)置和調(diào)整的一個重要的原則在變頻器正常運行控制之外實現(xiàn)，而且能夠簡化則盡量地簡化，以保證變頻器通信控制的實時響應(yīng)最快。

3 結(jié)束語

EV1000變頻器(不僅限于EV1000變頻器)在總線模式下工作，并可在上位機界面進行參數(shù)修改，人機交互界面友好，操作人員無須對EV1000深入了解，即可熟練地操控設(shè)備的正常運行; 該系統(tǒng)簡單、實用,對類似變頻器與上位機組成的控制系統(tǒng)的通信實現(xiàn)有一定的參考價值,并在實際的標準表法熱能表檢定裝置上得到了成功的應(yīng)用,取得了滿意的效果。同時也由于對變頻器的控制從手動變成了上位機智能控制,提高了熱能表檢定工作的效率。熱量表檢定裝置投入使用后，有效地提高了智能化控制水平，對其他類似應(yīng)用具有一定參考價值。

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[4] 蘇彬.西門子PLC如何通過MODBUS協(xié)議與變頻器通訊[J].電子制作，2014(12)

[5] 劉希民.控制儀表及系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009

* 陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目(2014KY01)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.09