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，給出了在天津輕軌項目中，采用Modbus通信方式，實現(xiàn)變頻器與PLC通信的應(yīng)用實例。實踐表明，Modbus通信方式具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、距離遠、工作可靠、編程簡單等優(yōu)點。

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

0 引言

      在城市輕軌風(fēng)機控制系統(tǒng)中，變頻器憑借著其變頻節(jié)能，能軟啟，可調(diào)速等特點有著廣泛的應(yīng)用。但變頻器本身對數(shù)據(jù)的計算、存儲、分析能力不足，智能化程度不高等缺點也越發(fā)明顯^[1]。傳統(tǒng)的控制常采用硬接線方式，只能單純的實現(xiàn)控制，但對變頻器內(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、效率高、工作穩(wěn)定、編程簡單等優(yōu)點。在城市輕軌單向運轉(zhuǎn)的耐高溫軸流排熱風(fēng)機控制項目中，風(fēng)機變頻器就是通過Modbus的通信方式實現(xiàn)的，通過Modbus通信將變頻器中的電氣參數(shù)如電流、電壓、運行頻率和報警信息傳送到PLC中，實現(xiàn)PLC對風(fēng)機啟動，旁路切換等自動控制和狀態(tài)監(jiān)控。

1 Modbus通信協(xié)議

      Modbus 協(xié)議是法國施耐德公司推出的一個全開放的“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)備之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標(biāo)準(zhǔn)化使它成為一個通用工業(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)議定義了一個與基本通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）^[2]，并將它分為三種形式： Modbus請求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：地址域和差錯校驗。

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，本項目中采用RTU。這種傳輸模式的報文以純二進制的方式傳送，即每8位字節(jié)表示兩個十六進制數(shù)。以至少3.5個字符時長用以區(qū)分兩個報文幀。以較高的數(shù)據(jù)密度實現(xiàn)了更快的吞吐率^[3]。

      Modbus串行鏈路協(xié)議作為主從協(xié)議,在同一時間，只能有一個主站連接在總線上。主站用兩種模式向從站發(fā)送Modbus請求：單播模式和廣播模式。單播模式下主站尋址單個從站，Modbus事務(wù)處理包含主站請求和從站應(yīng)答兩個報文。廣播模式下主站向所有從站發(fā)送請求從站無應(yīng)答。不同的功能碼對應(yīng)不同的請求模式^[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)機控制對變頻器要求

     城市輕軌地下車站區(qū)間隧道風(fēng)機設(shè)備主要有雙向運轉(zhuǎn)的耐高溫軸流機械事故風(fēng)機（TVF風(fēng)機）和單向運轉(zhuǎn)的耐高溫軸流排熱風(fēng)機（U/O風(fēng)機），其中U/O風(fēng)機由ATV31變頻器啟動。隧道風(fēng)機對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、就地控制三級控制，在不同工況模式下的運行模式。

(2)變頻器要同時監(jiān)控風(fēng)機運行狀態(tài)、運行時間、消耗功率等重要參數(shù)。

(3)變頻器的參數(shù)能顯示在車站主機上，車站主機能在線對變頻器的參數(shù)進行修改。

(4)變頻器能實現(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ATV31變頻器實行遠程監(jiān)控,從而實現(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，間隔t3.5后開始發(fā)送，當(dāng)發(fā)送到最后一個字節(jié)時延時t3.5后發(fā)送結(jié)束。當(dāng)變頻器檢測到線路上的字符時開始接受數(shù)據(jù)幀，并對幀進行CRC校驗，校驗無誤后變頻器對數(shù)據(jù)幀進行分析（如圖3），做出應(yīng)答。

3 Modbus 通信優(yōu)勢分析

      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控制。傳統(tǒng)的控制方式不能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控。配置參數(shù)只能采用本地設(shè)置，接線點多，模擬量傳輸不穩(wěn)定。不能實現(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：

(1)通過Modbus可以實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)視。變頻器配置參數(shù)、故障報警、運營時間等信息可在車站主機上顯示在，便于數(shù)據(jù)的記錄，統(tǒng)一管理和系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)。車站主機能在線對變頻器的參數(shù)進行修改，減少了硬節(jié)點，節(jié)省A/D、D/A模塊及成本但同時又增加了控制提高精度和穩(wěn)定性^[9]。

(2)Modbus 通信實現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)對全線風(fēng)機的模式控制和統(tǒng)一調(diào)度。在正常運行工況下，中央控制顯示U/O風(fēng)機及其相應(yīng)風(fēng)閥的工作狀態(tài)，車站控制室顯示且控制U/O風(fēng)機及其相應(yīng)風(fēng)閥的工作狀態(tài)，風(fēng)機按正常工況模式運行；在車站公共區(qū)火災(zāi)工況下，U/O風(fēng)機及其相應(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)機控制項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)，在人機界面上顯示。通過數(shù)據(jù)通信PLC就可以實現(xiàn)對變頻器的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)變頻啟動，直流制動，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化水平。該方法已在項目中通過調(diào)試達到了良好的運行效果，通信控制穩(wěn)定，可靠。

【參考文獻】

[1] 劉剛.ATV58變頻器的通訊功能[J].電工技術(shù)雜志,2000（10）:58-60.

[2] GB 19582.3—2004 基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范[Z].

[3]Schneider Electric Company. Twidosoft軟件操作指南.

[4] 荊文利.Modbus協(xié)議中有關(guān)RTU傳輸模式的應(yīng)用[J].紡織機械,2008(5): 34-36.

[5]曲立東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版社 2008.