摘要: Modbus協議是一種適用于工業控制領域的主從式串口通信協議，具有廣闊的應用前景。本文在闡述Modbus的基本原理和數據傳送模式基礎上，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，實現變頻器與PLC通信的應用實例。實踐表明，Modbus通信方式具有數據傳輸速度快、距離遠、工作可靠、編程簡單等優點。

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

0 引言

      在城市輕軌風機控制系統中，變頻器憑借著其變頻節能，能軟啟，可調速等特點有著廣泛的應用。但變頻器本身對數據的計算、存儲、分析能力不足，智能化程度不高等缺點也越發明顯^[1]。傳統的控制常采用硬接線方式，只能單純的實現控制，但對變頻器內部的信息不能查詢也無法控制。而RS-485無協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是被廣泛應用于PLC與變頻器通信的網絡協議。采用Modbus通信方式，速度快、距離遠、效率高、工作穩定、編程簡單等優點。在城市輕軌單向運轉的耐高溫軸流排熱風機控制項目中，風機變頻器就是通過Modbus的通信方式實現的，通過Modbus通信將變頻器中的電氣參數如電流、電壓、運行頻率和報警信息傳送到PLC中，實現PLC對風機啟動，旁路切換等自動控制和狀態監控。

1 Modbus通信協議

      Modbus 協議是法國施耐德公司推出的一個全開放的“主從式（Master/Slave）”通信協議，通過此協議，控制器之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標準化使它成為一個通用工業標準。

1.1 Modbus數據單元與幀的定義

        Modbus應用協議定義了一個與基本通信層無關的簡單協議數據單元（PDU）^[2]，并將它分為三種形式： Modbus請求PDU，mb_req_ pdu; Modbus響應PD

      第一作者韓婷（1985-），女，2003年畢業于沈陽建筑大學自動化系，獲得學士學位，現為沈陽建筑大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生；主要從事地鐵環境與設備監控的研究。 

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

      在特定總線或網絡上的Modbus協議映射能夠在協議數據單元（PDU）上引入附加域即：地址域和差錯校驗。

1.2 Modbus數據傳輸形式

      Modbus協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位字節表示兩個十六進制數。以至少3.5個字符時長用以區分兩個報文幀。以較高的數據密度實現了更快的吞吐率^[3]。

      Modbus串行鏈路協議作為主從協議,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事務處理包含主站請求和從站應答兩個報文。廣播模式下主站向所有從站發送請求從站無應答。不同的功能碼對應不同的請求模式^[4]。

2 Modbus通信在城市輕軌變頻器控制中的應用 

2.1城市輕軌風機控制對變頻器要求

     城市輕軌地下車站區間隧道風機設備主要有雙向運轉的耐高溫軸流機械事故風機（TVF風機）和單向運轉的耐高溫軸流排熱風機（U/O風機），其中U/O風機由ATV31變頻器啟動。隧道風機對變頻器控制方式要求^[5]：

(1)變頻器要考慮BAS系統由中央控制、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)變頻器要同時監控風機運行狀態、運行時間、消耗功率等重要參數。

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

(4)變頻器能實現工頻/變頻轉換。

       ATV31變頻器通過Modbus RTU協議與環控電控室U/O控制柜內Twido PLC通信，BAS系統則通過Twido PLC對ATV31變頻器實行遠程監控,從而實現控制要求。

2.2變頻器Modbus通信控制硬件連接

      隧道U/O風機變頻器ATV31與控制回路中TwidoPLCT通信為Modbus RTU傳輸協議。采用RS485標準總線，RJ45連接端口，傳輸介質為屏蔽雙絞線連接，線徑不超過1mm²。設置Modbus通信模式：/DPT=0（管腳5與管腳7短接），連接如圖2所示^[6]。

     令發送數據幀。在數據鏈路層，PLC將數據幀以RTU的形式發送給變頻器，當接收到字符時，間隔t3.5后開始發送，當發送到最后一個字節時延時t3.5后發送結束。當變頻器檢測到線路上的字符時開始接受數據幀，并對幀進行CRC校驗，校驗無誤后變頻器對數據幀進行分析（如圖3），做出應答。

3 Modbus 通信優勢分析

      傳統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。傳統的控制方式不能夠實現遠程監控。配置參數只能采用本地設置，接線點多，模擬量傳輸不穩定。不能實現變頻器模式控制^[8]。

       通過Modbus 通信則能有效的克服傳統變頻器控制的不足，其主要優點：

(1)通過Modbus可以實現遠程控制和監視。變頻器配置參數、故障報警、運營時間等信息可在車站主機上顯示在，便于數據的記錄，統一管理和系統后續開發。車站主機能在線對變頻器的參數進行修改，減少了硬節點，節省A/D、D/A模塊及成本但同時又增加了控制提高精度和穩定性^[9]。

(2)Modbus 通信實現環控系統對全線風機的模式控制和統一調度。在正常運行工況下，中央控制顯示U/O風機及其相應風閥的工作狀態，車站控制室顯示且控制U/O風機及其相應風閥的工作狀態，風機按正常工況模式運行；在車站公共區火災工況下，U/O風機及其相應的風閥能接受車站的控制；在區間事故工況下，全線的U/O風機由中央控制室統一調度。

4 結束語

       本文討論了Modbus在輕軌風機控制項目中與變頻器的通信中的應用問題。尤其是在BAS環境控制中，只有通過通信，才可將變頻器的內部參數通過PLC傳入上層網絡，在人機界面上顯示。通過數據通信PLC就可以實現對變頻器的遠程監控，實現變頻啟動，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試達到了良好的運行效果，通信控制穩定，可靠。

【參考文獻】

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

[2] GB 19582.3—2004 基于MODBUS協議的工業自動化網絡規范[Z].

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

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

[5]曲立東.城市軌道交通環境與設備監控系統設計與應用[M]. 電子工業出版社 2008.