關鍵詞：MODBUS 變頻調速 控制系統 

引言 
    現代工業自動控制系統朝智能化、網絡化和開放式結構的方向發展。利用現場總線技術，將符合同一標準的各種智能設備統一起來，徹底實現整個監測系統的分散控制，將提高系統集成度和數據傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統抗干擾性能和擴展系統功能。在設備的底層控制中，變頻調速已成為現代電機控制技術的重要發展方向。如果把總線通信與變頻控制技術統一起來，將推動交流電機群控技術以及設備遠程監控技術的發展 。

1 MODBUS總線控系統的技術特征
     MODBUS通訊協議是一種工業現場總線通訊協議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質，可以承載于多種網絡類型中。MODBUS協議把通信參與者規定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），數據和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準MODBUS網絡時，信息被直接傳送。MODBUS總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發出請求，從站應答請求并送回數據或狀態信息，從站不能夠自己發送信息。MODBUS協議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告傳輸錯誤等。網絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發出的命令。 
   
    由于MODBUS總線系統開發成本低，簡單易用，并且現在已有很多工控器、PLC、變頻器、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產的控制設備連成工業網絡，進行集中監控。
 
    MODBUS比較初為PLC通信而設計，它通過24種總線命令實現PLC與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數據傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。 

1.1 MODBUS通信格式 
    MODBUS協議定義了兩種傳輸模式，即RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII。在RTU模式中，1字節的信息作為一個8位字符被發送，而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送，如發送字符“20”時，采用RTU模式時為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）。可見，發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來說，數據量少而且主要是文本時采用ASCII；通信數據量大而且是二進制數值時，多采用RTU模式。
 
1.2 CRC校驗的實現 
     MODBUS通信的RTU模式中，規定信息幀的比較后兩個字節用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環冗余校驗）碼。發送方將信息幀中地址域、功能碼、數據域的所有字節按規定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發送CRC錯誤應答。 

    RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節），其中低字節在前，高字節在后。實現CRC校驗有兩種方法：根據CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應的碼組系數為18005H（16進制），去除比較高位，對應的16位余數為8005H，即為CRC-16常數。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數據進行異或，結果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在比較高位（MSB）的位置補零，而比較低位（LSB，移位后已經被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數據處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數據異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內的值即為比較終的CRC值。CRC添加到消息中時，先加入低字節，然后高字節。 

2 變頻控制的基本原理 
    根據電機學原理,交流電動機轉速公式為: 
    n= （1-s） n0 =60f（1-s） /p? 
    式中：n為電動機轉速；n0為同步轉速；f為電源頻率；p為電動機磁極對數；s為轉差率。 
    由上式可知，當p和轉差率s不變時，電動機轉子轉速n與定子電源頻率f成正比，連續改變異步電機供電電源的頻率，則可連續平滑地調節電動機的轉速。這即是變頻器的工作原理。 
    通用型變頻器基本上采用V/F控制方式，即變頻器輸出電壓的頻率F 和輸出電壓幅值U同時得到控制，并保證V/F的值恒定。工作時，變頻器主電路實現交流－直流－交流的變換過程，內部微控制器根據現場設定信號調節PWM輸出頻率，它控制了MOSFET管的導通時間，改變主電路的輸出頻率，實現調節電機的輸出轉速的目的。 
    變頻器自帶有完善的保護功能，如過流、過壓、欠壓、過熱、過載等功能。當電機發生堵轉等故障時,變頻器應可靠跳閘，以保護電機。變頻器每次故障都有故障記憶，可將比較新的故障記憶下來，以便運行人員進行故障分析。現在很多變頻器都帶有PID功能，接受速度傳感器信號，在變頻器內部完成閉環控制功能。 
   
3 結語 
     我們將本文開發的MODBUS總線控制變頻調速系統應用于月餅自動包陷生產線中。在該生產線上，以單片機為核心的控制器通過MODBUS總線控制4臺V7變頻器，這4臺變頻器通過變速機構和電機分別控制一個月餅的外陷量、內陷量、皮量和刀盤的收口頻率。實踐表明，MODBUS總線通信、變頻調速和液晶顯示技術的應用，減少了控制系統的布線數量，提高了系統集成度和可靠性，月餅成分可在大范圍內隨意調整，其良好的用戶界面大大改善了設備的操作性能，提升了產品的市場競爭力。因此，直接利用MODBUS協議對其組網監控，是機械設備控制系統獲得低成本、高性能的好途徑。 
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