實用變頻器通訊控制

1、第三章 Modbus總線變頻器控制第一節(jié) Modbus協(xié)議Modbus協(xié)議是由第一臺PLC的發(fā)明者Modicon公司(現(xiàn)在是施耐德電氣公司的一部分)于1978年開發(fā)的，最早的設(shè)想是在RS232端口上實現(xiàn)控制器和智能型傳感器之間控制數(shù)據(jù)的傳輸。1979年，Modicon公司將Modbus協(xié)議推廣到市場上，為眾多設(shè)備制造商在其不同的設(shè)備中所采用，成為智能型設(shè)備之間建立主從式或客戶機-服務(wù)器通訊的“事實上”的標準。Modbus是一個應(yīng)用層通信協(xié)議(即OSI模型第7層)，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(RS232、RS422/485)2、Modbus Plus高速令牌網(wǎng)3、

2、TCP/IP以太網(wǎng)本章主要介紹Modbus異步串行傳輸網(wǎng)絡(luò)。一、Modbus協(xié)議簡介Modbus協(xié)議定義了一個獨立于基本通訊層的簡單的協(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31所示。圖31 Modbus結(jié)構(gòu)圖ADUPDU數(shù)據(jù)錯誤校驗功能代碼服務(wù)器地址Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)定義了客戶機向服務(wù)器發(fā)出請求的格式，其中功能是指服務(wù)器所執(zhí)行的動作。例如，客戶機可以向服務(wù)器請求讀一組離散量輸入或輸出的“開/關(guān)”狀態(tài)，或讀/寫一組

3、寄存器的數(shù)值，如圖32所示。功能代碼區(qū)由1個字節(jié)組成，有效的范圍是1255，其中128255保留作為異常響應(yīng)功能代碼。當一個消息從客戶機發(fā)送到服務(wù)器時，功能代碼區(qū)將告訴服務(wù)器執(zhí)行何種動作；一些功能代碼還有子代碼，以定義多重動作。數(shù)據(jù)區(qū)包含服務(wù)器執(zhí)行功能代碼所定義動作的必要信息，如離散量和寄存器地址、數(shù)量、以及實際數(shù)據(jù)字節(jié)的計數(shù)值等。在某些特定的請求中，可能沒有數(shù)據(jù)區(qū)(0長度)，在這種情況下，服務(wù)器動作由功能碼直接指定，無需輔助信息。服務(wù)器一旦接收到客戶機的請求，將作出相應(yīng)的響應(yīng)。如果沒有與Modbus功能請求相關(guān)的錯誤發(fā)生，客戶機將接收到服務(wù)器根據(jù)功能代碼請求所返回的正確的數(shù)據(jù)；如果發(fā)生了錯誤

4、，客戶機將接收到一個異常代碼，可以根據(jù)這個異常代碼決定下一步動作。當服務(wù)器回應(yīng)客戶機時，回應(yīng)的功能代碼區(qū)既可表示一個正常的響應(yīng)，也可表示發(fā)生了錯誤(稱異常響應(yīng))。對一個正常的響應(yīng)，服務(wù)器簡單地返回原功能代碼；對異常響應(yīng)，服務(wù)器將返回一個將原功能代碼最高位置“1”(原功能代碼+80H)的異常功能代碼。圖32 Modbus交換異常功能代碼異常代碼有錯誤響應(yīng)接收回應(yīng)錯誤檢測發(fā)出錯誤請求數(shù)據(jù)功能代碼發(fā)出請求客戶機服務(wù)器服務(wù)器客戶機發(fā)出請求功能代碼請求數(shù)據(jù)執(zhí)行動作發(fā)出回應(yīng)功能代碼響應(yīng)數(shù)據(jù)接收回應(yīng)無錯誤響應(yīng)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

5、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”。二、功能代碼及異常響應(yīng)圖33 Modbus交換狀態(tài)圖接收MB指令等待一個MB指令異常代碼_1有效的功能代碼有效的數(shù)據(jù)地址異常代碼_2有效的數(shù)據(jù)值異常代碼_3執(zhí)行MB功能異常代碼_4/5/6發(fā)送MB響應(yīng)發(fā)送MB異常響應(yīng)YYYYNNNNModbus協(xié)議被廣泛應(yīng)用于設(shè)備的監(jiān)控和編程、智能設(shè)備與傳感器和儀器的通訊、以及采用計算機和人機界面對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控等場合；Modbus協(xié)

6、議還是一個理想的RTU(Remote Terminal Unit，遠程終端測控單元)應(yīng)用協(xié)議，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣及其子站等需要無線通訊的場合；Modbus協(xié)議不僅應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在建筑、市政工程、交通和能源等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當在MODBUS網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動

7、。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了MODBUS協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法(如：MODBUS TCP/IP)。MODBUS 協(xié)議有 ASCII 和 RTU (遠程終端單元)兩種傳輸方式，在ASCII 方式中，消息中的每個8Bit字節(jié)需2個ASCII字符，其優(yōu)點是允許字符的傳輸間隔達到1秒而不產(chǎn)生錯誤；在RTU方式，每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符，其優(yōu)點是，在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)，但每個消息必須以連續(xù)的流傳輸，約95%的Mo

8、dbus總線采用RTU方式。MODBUS的RTU方式采用CRC-16的冗余校驗方式，規(guī)定通信字符串的最后兩個字節(jié)用于傳遞循環(huán)冗余校驗數(shù)據(jù)，其方法是將整個字符串(不包括最后兩個字節(jié))的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進行位移并進行XOR(異或)計算，接收方在收到該字符串時按同樣的方式進行計算，并將結(jié)果同收到的循環(huán)冗余校驗的兩個字節(jié)進行比較，如果一致則認為通信正確，如果不一致，則認為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯誤應(yīng)答。MODBUS的RTU方式的幀格式：1個起始位8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送1個奇偶校驗位，無校驗則無1個停止位或 2個停止位(無校驗時)兩種傳輸模式中(ASCII或RTU)，傳輸設(shè)備以將MODB

9、US消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設(shè)備被選中(廣播方式則傳給所有設(shè)備)，判知何時信息已完成。使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。在網(wǎng)絡(luò)波特率多樣的情況下，字符時間是最容易實現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址，可以使用的傳輸字符是十六進制的0.9,A.F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當?shù)谝粋€域(地址域)接收到，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消

10、息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過3.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認為它是前一消息的延續(xù)。這兩種情形都將導(dǎo)致錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。一個典型的消息幀如下所示：起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗結(jié)束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn個8Bit16BitT1-T2-T3-T4消息幀的地址域包含兩個字符(8Bits)，可能的從設(shè)備地址是十進制的0.247 。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。

11、當從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個設(shè)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認識。當MODBUS協(xié)議用于更高水準的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符(8Bits)，可能的代碼范圍是十進制的1.255。有些控制器適用所有的代碼，有些控制器僅適用部分代碼，取決于控制器采用的代碼完整與否。當消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設(shè)備中的程序等。當從設(shè)備回應(yīng)時，它使用功能代碼域來指示是

12、正?；貞?yīng)(無誤)還是有某種錯誤發(fā)生(稱作異議回應(yīng))。對正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對異議回應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但最高位為邏輯1(+80H)。數(shù)據(jù)域是由兩個十六進制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍00.FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由RTU字符組成。主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含了附加的信息：如寄存器地址，要處理項的數(shù)目，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)等。從設(shè)備必須執(zhí)行由功能代碼所定義的請求。如果沒有錯誤發(fā)生，從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請求的數(shù)據(jù)。如果有錯誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來判斷采取下一步行動。標準的MODBUS網(wǎng)絡(luò)有兩種錯誤檢測方法。錯誤

13、檢測域的內(nèi)容視所選的檢測方法而定。當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16Bits值(用兩個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。當消息在標準的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?？刂破髋cPLC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)通信的一般如下： (1) 查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種

14、功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀或?qū)懠耙x的寄存器數(shù)量或?qū)懙臄?shù)值。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。例如：功能代碼03(十進制)是要求讀從設(shè)備保持寄存器并返回它們的內(nèi)容，功能代碼16(十進制)是對從設(shè)備輸出寄存器寫值 (允許采用廣播方式)。(2) 回應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的(功能代碼80H)，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼(1-從站不能

15、識別主站的請求，2-請求幀中的從站地址不存在，3-主站的請求不允許，4從站不能完成請求)。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認消息內(nèi)容是否正確。例如：主站讀取從站N個寄存器(MODBUS 功能03)：主站命令：從站地址 命令字 欲讀寄存器首地址 欲讀字個數(shù) CRC16 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes 01 03 00 04 00 02 85 CA從站回送：從站地址 命令字 讀到的字長度 寄存器內(nèi)容 CRC16 1 byte 1 byte 1 byte n bytes 2 bytes 01 03 04 42 C8 00 00 6F B5標準的 MODBUS物理層采

16、用了RS-232串行通信標準，遠距離或多點通訊時可以考慮用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。在PC機上可以通過使用RS-485插卡或者RS-232/ RS-485轉(zhuǎn)換模塊，可實現(xiàn)多點通信。采用帶有120W特性阻抗的屏蔽雙絞線，確認在通訊電纜的兩邊都有終端匹配電阻（120W），并將屏蔽小心接地。從站數(shù)限制為32個以下。實現(xiàn)通信的過程中要對從站地址、寄存器地址、及數(shù)據(jù)量等進行判定。若是與PLC或者其它標準的通信設(shè)備進行連接時，需要考慮實際的結(jié)構(gòu)，即寄存器地址圍，如0x 表示輸出線圈、1x 表示離散量輸入、3x 表示

17、輸入寄存器、4x 表示保持寄存器。注意，寄存器地址是從1開始的，如40001代表0號保持寄存器地址。Modbus協(xié)議規(guī)定每個消息不超過256個字節(jié)，在Windows下MODBUS通信可采用MSCOMM控件來實現(xiàn)。以從站為例，左面是實現(xiàn)通信的流程圖。在PC機上實現(xiàn)Modbus協(xié)議的關(guān)鍵是CRC校驗值的算法，有兩種方法：根據(jù)CRC校驗的定義公式進行計算，或在程序中建立CRC校驗值表查找。因為對于固定字節(jié)CRC校驗計算的多項式因子，其CRC值是固定的，因而，采用查表法可以簡化了計算過程、節(jié)省應(yīng)答時間、提高通信效率。查表法計算CRC校驗值程序參見附錄二。第三節(jié)ATV58變頻器通訊控制PLC編程舉例一、

18、硬件連接ATV58變頻器內(nèi)置的Modbus接口物理層為RS485，采用Modbus RTU方式(8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無校驗位)，波特率必須為19.2Kbit/s，連接介質(zhì)可采用屏蔽雙絞線，傳輸距離可達1000 米。注意：單總線上連接ATV58變頻器最多為18臺(物理層限制)。取下ATV58變頻器的操作面板，可以看到本機上的Modbus 9針D型接口，該接口RS485管腳定義如下：¨ 管腳 3: D(A)¨ 管腳 7: D(B)控制器與變頻器RS485連接參見圖一。圖一 PLC與變頻器RS485連接示意圖ATV58ATV58控制器ABABBA1nF120W屏蔽雙絞線3、A

19、TV58 變頻器的Modbus通訊設(shè)置ATV58 變頻器的Modbus 通訊參數(shù)需要通過操作面板預(yù)先予以設(shè)置如下:控制菜單 (CTL: 4-CONTROL):面板控制 (LCC: Keypad Comm.) No (取消面板操作)變頻器地址 (Add: DriveAddress) - 1,2, 18 (Modbus從站地址)ATV58變頻器采用通訊功能時，其外部端子控制功能是無效的，通過對邏輯輸入口(如LI4)進行編程設(shè)置為強制本地控制方式，可實現(xiàn)變頻器的遠程/本地切換控制。注意，最好將變頻器在本地控制方式下調(diào)試完畢后，再進行通訊控制，一方面可以避免因為變頻器參數(shù)設(shè)置的原因?qū)е伦冾l器工作不正常

20、；同時，可以簡化通訊的內(nèi)容和交換數(shù)據(jù)的數(shù)量。二、PLC編程舉例施耐德電氣公司的Modicon TSX Micro PLC是一種面向機器和設(shè)備的中小型PLC，本機最大可達256 I/O點，具備強大的內(nèi)存擴展和通訊擴展功能；其編程軟件PL7 PRO與中型PLC Premium兼容，不僅編程簡單方便，同時具有中型PLC的強大功能(如豐富的庫函數(shù)和算術(shù)表達式編程等)。在Micro PLC上實現(xiàn)Modbus主站有兩種方式：1、通過編程軟件直接將編程端口(Channel 0)設(shè)置為Modbus Master方式。2、在通訊擴展插槽(Channel 1)內(nèi)插入TSXSCP114 - RS485 PCMCIA多協(xié)議通訊卡，通過編程軟件將該通訊卡設(shè)置為Modbus Master方式。注意，采用第一種方式時，通訊口為非隔離的，當傳輸距離大于10米時應(yīng)采用總線隔離器(如：TSXPACC01)。此外，Modbus通訊參數(shù)必須與變頻器一致。在PLC的軟件編程中，通過庫函數(shù)中的通訊指令即可簡單地實現(xiàn)對ATV58變頻器的內(nèi)部通訊變量的訪問：READ_VAR(ADR#m.v.i,%MW,450,10,%MW100:10,%MW150:4)%MW150:X