摘要: Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通信協(xié)議，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在闡述Modbus的基本原理和數(shù)據(jù)傳送模式基礎(chǔ)上，分析了Modbus通信的特點(diǎn)，給出了在天津輕軌項(xiàng)目中，采用Modbus通信方式，實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC通信的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)踐表明，Modbus通信方式具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、工作可靠、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

Application of Modbus Communication for Inverter Control in Urban Light Rail Transit Project

0 引言

      在城市輕軌風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻器憑借著其變頻節(jié)能，能軟啟，可調(diào)速等特點(diǎn)有著廣泛的應(yīng)用。但變頻器本身對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、分析能力不足，智能化程度不高等缺點(diǎn)也越發(fā)明顯^[1]。傳統(tǒng)的控制常采用硬接線方式，只能單純的實(shí)現(xiàn)控制，但對(duì)變頻器內(nèi)部的信息不能查詢也無法控制。而RS-485無協(xié)議通信方法控制變頻器方式編程工作量較大。通過變頻器與PLC通信能有效的避免這些不足，提高變頻器控制的自動(dòng)化水平。

      Modbus是被廣泛應(yīng)用于PLC與變頻器通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。采用Modbus通信方式，速度快、距離遠(yuǎn)、效率高、工作穩(wěn)定、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在城市輕軌單向運(yùn)轉(zhuǎn)的耐高溫軸流排熱風(fēng)機(jī)控制項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)變頻器就是通過Modbus的通信方式實(shí)現(xiàn)的，通過Modbus通信將變頻器中的電氣參數(shù)如電流、電壓、運(yùn)行頻率和報(bào)警信息傳送到PLC中，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，旁路切換等自動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)控。

1 Modbus通信協(xié)議

      Modbus 協(xié)議是法國(guó)施耐德公司推出的一個(gè)全開放的“主從式（Master/Slave）”通信協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以進(jìn)行通信。它的開放性、可擴(kuò)充性和標(biāo)準(zhǔn)化使它成為一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 Modbus數(shù)據(jù)單元與幀的定義

        Modbus應(yīng)用協(xié)議定義了一個(gè)與基本通信層無關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）^[2]，并將它分為三種形式： Modbus請(qǐng)求PDU，mb_req_ pdu; Modbus響應(yīng)PD

      第一作者韓婷（1985-），女，2003年畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)自動(dòng)化系，獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為沈陽建筑大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控的研究。 

mb_rsp_pdu; Modbus異常響應(yīng)PDU, mb_excep_rsp_pdu。定義 mb_ req_pdu:mb_req_pdu={function_ code ，request_data},其中function_ code：[1字節(jié)] Modbus功能碼。request_ data：[n字節(jié)]。mb_rsp_pdu有相同的定義。異常響應(yīng)PD：mb_excep_rsp_ pdu= {function_code,request_data}:function_code：[1字節(jié)] 功能碼+0x08，request_ data：[1字節(jié)] Modbus異常碼。

      在特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）上引入附加域即：地址域和差錯(cuò)校驗(yàn)。

1.2 Modbus數(shù)據(jù)傳輸形式

      Modbus協(xié)議在串行鏈路常用的串行傳輸模式有兩種方式，ASCII和RTU方式，本項(xiàng)目中采用RTU。這種傳輸模式的報(bào)文以純二進(jìn)制的方式傳送，即每8位字節(jié)表示兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)。以至少3.5個(gè)字符時(shí)長(zhǎng)用以區(qū)分兩個(gè)報(bào)文幀。以較高的數(shù)據(jù)密度實(shí)現(xiàn)了更快的吞吐率^[3]。

      Modbus串行鏈路協(xié)議作為主從協(xié)議,在同一時(shí)間，只能有一個(gè)主站連接在總線上。主站用兩種模式向從站發(fā)送Modbus請(qǐng)求：?jiǎn)尾ツＪ胶蛷V播模式。單播模式下主站尋址單個(gè)從站，Modbus事務(wù)處理包含主站請(qǐng)求和從站應(yīng)答兩個(gè)報(bào)文。廣播模式下主站向所有從站發(fā)送請(qǐng)求從站無應(yīng)答。不同的功能碼對(duì)應(yīng)不同的請(qǐng)求模式^[4]。

2 Modbus通信在城市輕軌變頻器控制中的應(yīng)用 

2.1城市輕軌風(fēng)機(jī)控制對(duì)變頻器要求

     城市輕軌地下車站區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)設(shè)備主要有雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的耐高溫軸流機(jī)械事故風(fēng)機(jī)（TVF風(fēng)機(jī)）和單向運(yùn)轉(zhuǎn)的耐高溫軸流排熱風(fēng)機(jī)（U/O風(fēng)機(jī)），其中U/O風(fēng)機(jī)由ATV31變頻器啟動(dòng)。隧道風(fēng)機(jī)對(duì)變頻器控制方式要求^[5]：

(1)變頻器要考慮BAS系統(tǒng)由中央控制、車站控制、就地控制三級(jí)控制，在不同工況模式下的運(yùn)行模式。

(2)變頻器要同時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、消耗功率等重要參數(shù)。

(3)變頻器的參數(shù)能顯示在車站主機(jī)上，車站主機(jī)能在線對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行修改。

(4)變頻器能實(shí)現(xiàn)工頻/變頻轉(zhuǎn)換。

       ATV31變頻器通過Modbus RTU協(xié)議與環(huán)控電控室U/O控制柜內(nèi)Twido PLC通信，BAS系統(tǒng)則通過Twido PLC對(duì)ATV31變頻器實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,從而實(shí)現(xiàn)控制要求。

2.2變頻器Modbus通信控制硬件連接

      隧道U/O風(fēng)機(jī)變頻器ATV31與控制回路中TwidoPLCT通信為Modbus RTU傳輸協(xié)議。采用RS485標(biāo)準(zhǔn)總線，RJ45連接端口，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線連接，線徑不超過1mm²。設(shè)置Modbus通信模式：/DPT=0（管腳5與管腳7短接），連接如圖2所示^[6]。

     令發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)鏈路層，PLC將數(shù)據(jù)幀以RTU的形式發(fā)送給變頻器，當(dāng)接收到字符時(shí)，間隔t3.5后開始發(fā)送，當(dāng)發(fā)送到最后一個(gè)字節(jié)時(shí)延時(shí)t3.5后發(fā)送結(jié)束。當(dāng)變頻器檢測(cè)到線路上的字符時(shí)開始接受數(shù)據(jù)幀，并對(duì)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后變頻器對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析（如圖3），做出應(yīng)答。

3 Modbus 通信優(yōu)勢(shì)分析

      傳統(tǒng)的變頻器控制主要有三種方式：變頻器面板控制，變頻器端子控制和變頻器模擬量信號(hào)控制。傳統(tǒng)的控制方式不能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。配置參數(shù)只能采用本地設(shè)置，接線點(diǎn)多，模擬量傳輸不穩(wěn)定。不能實(shí)現(xiàn)變頻器模式控制^[8]。

       通過Modbus 通信則能有效的克服傳統(tǒng)變頻器控制的不足，其主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過Modbus可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。變頻器配置參數(shù)、故障報(bào)警、運(yùn)營(yíng)時(shí)間等信息可在車站主機(jī)上顯示在，便于數(shù)據(jù)的記錄，統(tǒng)一管理和系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)。車站主機(jī)能在線對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行修改，減少了硬節(jié)點(diǎn)，節(jié)省A/D、D/A模塊及成本但同時(shí)又增加了控制提高精度和穩(wěn)定性^[9]。

(2)Modbus 通信實(shí)現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)對(duì)全線風(fēng)機(jī)的模式控制和統(tǒng)一調(diào)度。在正常運(yùn)行工況下，中央控制顯示U/O風(fēng)機(jī)及其相應(yīng)風(fēng)閥的工作狀態(tài)，車站控制室顯示且控制U/O風(fēng)機(jī)及其相應(yīng)風(fēng)閥的工作狀態(tài)，風(fēng)機(jī)按正常工況模式運(yùn)行；在車站公共區(qū)火災(zāi)工況下，U/O風(fēng)機(jī)及其相應(yīng)的風(fēng)閥能接受車站的控制；在區(qū)間事故工況下，全線的U/O風(fēng)機(jī)由中央控制室統(tǒng)一調(diào)度。

4 結(jié)束語

       本文討論了Modbus在輕軌風(fēng)機(jī)控制項(xiàng)目中與變頻器的通信中的應(yīng)用問題。尤其是在BAS環(huán)境控制中，只有通過通信，才可將變頻器的內(nèi)部參數(shù)通過PLC傳入上層網(wǎng)絡(luò)，在人機(jī)界面上顯示。通過數(shù)據(jù)通信PLC就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)，直流制動(dòng)，故障查詢，旁路切換等功能，極大的提高了變頻器控制的自動(dòng)化水平。該方法已在項(xiàng)目中通過調(diào)試達(dá)到了良好的運(yùn)行效果，通信控制穩(wěn)定，可靠。

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