基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

分析目前速度傳感器檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，利用工控機(jī)、V20變頻器、交流電機(jī)等設(shè)備，依照MODBUS協(xié)議搭建檢測系統(tǒng)變頻調(diào)速模塊，模擬地鐵車輛運(yùn)行工況；通過VC++技術(shù)、Microsoft Communication Control通信控件以及通信報文的編寫，實現(xiàn)工控機(jī)對交流電機(jī)的實時調(diào)速，使得系統(tǒng)可在不同速度區(qū)段下檢測速度傳感器性能。經(jīng)實際使用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、檢測精度高，滿足地鐵使用需求。

MODBUS協(xié)議；變頻器；VC++技術(shù)

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，地鐵建設(shè)在各省市如雨后春筍般涌現(xiàn)［1］。速度傳感器作為地鐵車輛上核心部件之一，對其性能的穩(wěn)定可靠進(jìn)行檢測于地鐵安全運(yùn)營至關(guān)重要。目前國內(nèi)地鐵公司大多采用不同類型的速度傳感器，與其相應(yīng)的檢測系統(tǒng)功能單一、數(shù)據(jù)處理性能差，在穩(wěn)定性、抗干擾性、檢出率等方面存在明顯不足；因此，開發(fā)多功能速度傳感器檢測系統(tǒng)具有重要的實際意義。通過目前傳感器檢測系統(tǒng)的劣勢分析，針對MODBUS協(xié)議尤其適用于小型單機(jī)控制系統(tǒng)［2］的特點，本文設(shè)計了基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MODBUS通信協(xié)議，使得工控機(jī)可以通過變頻器靈活地控制交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速設(shè)置，從而實現(xiàn)速度傳感器多參數(shù)性能檢測，保證性能優(yōu)良的傳感器被運(yùn)用在地鐵車輛上。

1 檢測系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控機(jī)、交流電機(jī)、變頻器和光電式編碼器等設(shè)備組成。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是采集編碼器的轉(zhuǎn)速信號作為模擬地鐵車輛運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，采集速度傳感器檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為運(yùn)行實測轉(zhuǎn)速；工控機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心操作端，使用PCI串口總線技術(shù)對系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行實時調(diào)控。檢測系統(tǒng)硬件框架［3］如圖1所示。

圖1 硬件框架分布圖Fig.1 Distribution diagram of hardware architecture

2 檢測系統(tǒng)通信設(shè)計

在單機(jī)測控系統(tǒng)中，可進(jìn)行MODBUS通信的設(shè)備都具有RS-232或RS-485接口，它們一般采用光纖或者雙絞線來進(jìn)行MODBUS報文的傳輸［4］。在速度傳感器檢測系統(tǒng)中，工控機(jī)采用的接口是RS-232，而西門子V20變頻器的接口為RS-485，這就需要采用RS-232轉(zhuǎn)RS-485的串口轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)工控機(jī)與變頻器互聯(lián)通信。通過工控機(jī)、V20變頻器、串口轉(zhuǎn)換器、交流電機(jī)等設(shè)備，檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了變頻調(diào)速模塊的搭建。

2.1 系統(tǒng)通信流程設(shè)計

作為一種通用的工業(yè)現(xiàn)場總線，MODBUS協(xié)議具有兩種通信模式:ASCII模式和RTU模式［5］。在實際使用時，控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量少，且需要傳輸文本，常選擇ASCII模式，并采用LRC冗余校驗；若通信數(shù)據(jù)量多，且都為二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型時，多選擇RTU模式，采用CRC循環(huán)冗余校驗［6］。在同一傳輸速度下，RTU模式比ASCII模式快1倍；因此，基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)中，經(jīng)過硬件架構(gòu)設(shè)計后，確定主設(shè)備只有工控機(jī)，從設(shè)備就是V20變頻器，變頻器與工控機(jī)的通信模式選用RTU模式，并使用CRC-16冗余校驗方式，保障在傳輸過程中數(shù)據(jù)報文的正確性，其通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 通信程序流程圖Fig.2 The communication program flow chart

2.2 MODBUS報文設(shè)計

對于速度傳感器檢測系統(tǒng)的軟件部分，采用Visual C++編程技術(shù)和串口通信控件Microsoft Communication Control（MSComm）實現(xiàn)報文的編寫與發(fā)送，其中報文包括:設(shè)備地址、功能碼、待發(fā)送數(shù)據(jù)和校驗碼。結(jié)合MODBUS-RTU通信結(jié)構(gòu)，將設(shè)備通信地址設(shè)置為01H～FEH，調(diào)試變頻器地址設(shè)為01H；功能碼分為4種:03H-讀寄存器數(shù)據(jù)、06H-向寄存器寫入數(shù)據(jù)、08H-回路偵測、10H-向寄存器寫入多組數(shù)據(jù)。通過MODBUS報文常用命令及功能［7］、西門子V20變頻器參數(shù)自址定義的分析，以及系統(tǒng)所需要的通信執(zhí)行命令，編寫出速度傳感器檢測系統(tǒng)的通信報文，實現(xiàn)對交流電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及變速調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)將變頻器地址設(shè)置為02 H，上位機(jī)通信波特率為9 600，數(shù)據(jù)位8位、停止位1位，校驗方式為Even偶校驗［8］。檢測系統(tǒng)通信報文設(shè)計如下:

1）將數(shù)據(jù)“04 7E”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，讓變頻器準(zhǔn)備接收報文。其中02表示V20變頻器地址，06表示寫入命令，00 63表示寄存器編號，04 7E表示要寫入的值，F(xiàn)B 07表示偶校驗碼。發(fā)送報文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2）將設(shè)定的頻率發(fā)送至地址為64 H的寄存器，該值介于2 800～4 000 H之間，4 000 H對應(yīng)的額定頻率為50 Hz。發(fā)送報文:“02 06 00 64 30 00 DC 26”。

3）將數(shù)據(jù)“04 7F”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)?！?C 7F”表示反轉(zhuǎn)。發(fā)送報文:“02 06 00 63 04 7F 3A C7”或者“02 06 00 63 0C 7F 3D 07”。

4）重復(fù)步驟2），即可實現(xiàn)變頻調(diào)速。

5）再次將數(shù)據(jù)“04 7E”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。發(fā)送報文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2.3 系統(tǒng)通信代碼實現(xiàn)

在對MODBUS協(xié)議中通信報文的設(shè)計之后，使用VC++技術(shù)與MSComm控件來實現(xiàn)軟件編程。首先，系統(tǒng)需要實現(xiàn)對MSComm通信控件的初始化設(shè)置，部分代碼實現(xiàn)如下:

3 軟件編程與仿真試驗

速度傳感器檢測系統(tǒng)的核心功能是在系統(tǒng)硬件搭建的基礎(chǔ)上，用軟件編程來實現(xiàn)的。采用Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)平臺下的 Visual C++語言工具，配合ACCESS數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的多功能多參數(shù)性能分析［9］。通過開發(fā)分項功能測試模塊使得在同一臺檢測試驗臺可以對不同類型的傳感器進(jìn)行檢測。如圖3和圖4是速度傳感器檢測界面和波形顯示界面。以TQG19速度傳感器為例，結(jié)合傳感器的技術(shù)規(guī)格，從信號頻率轉(zhuǎn)換的速度值、曲線占空比和相位差3個性能參數(shù)來綜合性評價速度傳感器的好壞。

在圖3檢測界面中，其窗口界面具有速度設(shè)置、車輪直徑設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)速度顯示、實測速度顯示、報表顯示和通道選擇等功能。在圖中的9次測量中，最大測量速度為120 km·h-1，最大絕對誤差為0.6 km·h-1，則引用誤差表示為0.5%，使用引用誤差表示該檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為0.5，得出該速度傳感器檢測系統(tǒng)的精度較高，滿足實際使用需求。

圖3 檢測系統(tǒng)的軟件界面Fig.3 Software interface of detection system

圖4 波形數(shù)據(jù)測試界面Fig.4 Waveform data test interface

在圖4波形測試界面中，對TQG19速度傳感器進(jìn)行速度為30，50 km·h-1的測試，其中占空比分別為52.9%，51.9%，相位差分別為75.4，72.2，而霍爾式速度傳感器的合格脈沖占空比為 （50±20）%，相位差為（90±30）°，結(jié)合該種型號傳感器的技術(shù)規(guī)格，從信號頻率轉(zhuǎn)換的速度值、占空比和相位差3個性能參數(shù)來綜合性評價，被檢測的TQG19速度傳感器性能合格；同時，從波形曲線的穩(wěn)定程度來看，基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)能夠有效地抑制在檢測過程中出現(xiàn)的隨機(jī)干擾信號，達(dá)到穩(wěn)定性高、抗干擾性能好的使用要求。

4 結(jié)論

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測系統(tǒng)，通信信號穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，電機(jī)調(diào)速范圍大，有效地提高了系統(tǒng)的檢測精度；同時在軟件方面，設(shè)計不同的檢測功能界面，增加功能模塊，補(bǔ)充了檢測系統(tǒng)功能的單一性缺陷，實現(xiàn)了不同類型速度傳感器的多參數(shù)性能檢測，提高了檢測效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。經(jīng)長沙地鐵實際測試表明，該系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確度可達(dá)0.5；同時檢測系統(tǒng)還有效抑制了隨機(jī)干擾信號和降低了通信故障率，較高的系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，使其具有良好的應(yīng)用前景。

［1］張曉莉，林茂德.論城市軌道交通建設(shè)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的拉動作用［J］.城市軌道交通研究，2009（1）:1-6.

［2］文方，歐陽嵩.基于Modbus總線的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（6）:54-56.

［3］楊豐萍，袁蘆北，鮑丙東，等.新型地鐵速度傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015（6）:73-75.

［4］林凱.基于ARM11的多通道數(shù)據(jù)采集記錄儀軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2013.

［5］田志勇，戴一平.基于MODBUS總線的變頻驅(qū)動液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2010（4）:79-81.

［6］袁蘆北.城軌車輛速度傳感器檢測系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.南昌:華東交通大學(xué)，2015.

［7］朱小襄.ModBus通信協(xié)議及編程［J］.電子工程師，2005（7）:42-44+55.

［8］劉其亮.基于PLC窯爐模糊控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.濟(jì)南:山東理工大學(xué)，2010.

［9］楊豐萍，黃兵斌，袁蘆北，等.基于城軌車輛制動控制測試數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2014（4）:38-43.

Research and Development of Speed Sensor Test System Based on MODBUS Protocol

Yang Fengping，Bao Bingdong，Wang Jin，Shi Luxing
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

After the analysis of current status for the speed sensor detection system and using industrial control computer，V20 frequency converter，AC motor and other equipment，the frequency conversion speed regulation module of test system is established.This module can simulate the running conditions of metro vehicles.Through using VC++technology，Microsoft Communication Control and preparation of communication messages，the system can make industrial PC achieve the real-time regulation of AC motor speed.The performance of speed sensor can be detected at different speeds.The actual application shows that this system is stable with low failure rate and high detection accuracy，which can meet the actual demand of metro vehicles.

MODBUS protocol；variable-frequency drive；VC++programming

TP206+.1

A

1005-0523（2016）05-0076-05

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－01－21

江西省2014年研究生創(chuàng)新專項資金項目（YC2014—S263）

楊豐萍（1967—），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為交通信息工程及控制、電力牽引及傳動控制等。

鮑丙東（1989—），男，學(xué)術(shù)型碩士研究生，研究方向為計算機(jī)檢測及控制。