基于Modbus總線應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計(jì)

郭 瓊 韓東起

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214121）

基于Modbus總線應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計(jì)

郭 瓊 韓東起

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214121）

總線控制技術(shù)是一門涉及多學(xué)科、多知識(shí)領(lǐng)域的專業(yè)課程。結(jié)合高職學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和生產(chǎn)實(shí)際，以案例帶動(dòng)知識(shí)點(diǎn)開展學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，掌握使用目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線的方法，可以縮短理論課堂教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的距離，提高教學(xué)的針對(duì)性和實(shí)效性，培養(yǎng)和提高學(xué)生對(duì)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和使用能力。本文主要以M odbus總線的學(xué)習(xí)內(nèi)容為例，闡述了本課程教學(xué)開發(fā)思路和實(shí)施過程。

現(xiàn)場(chǎng)總線；M odbus；教學(xué)設(shè)計(jì)

課程描述

電氣自動(dòng)化專業(yè)是我院的一個(gè)老牌專業(yè)，始創(chuàng)于1988年，經(jīng)過多年的努力，該專業(yè)無(wú)論在辦學(xué)還是在師資建設(shè)上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。近年來隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新技術(shù)不斷應(yīng)用，對(duì)教學(xué)內(nèi)容也提出了更高的要求。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）作為第五代控制系統(tǒng)，因其所具有的突出優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)企業(yè)中也迅速得到普及和應(yīng)用。為適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生今后就業(yè)或深造打下一定的基礎(chǔ)，我專業(yè)于2007年開設(shè)了《總線技術(shù)及應(yīng)用》課程，該門課程是一門綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的課程，也是《PLC技術(shù)及應(yīng)用》、《微控制器原理及應(yīng)用》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝調(diào)試與運(yùn)行》等課程的后續(xù)課程，課程課時(shí)為48學(xué)時(shí)，在第五學(xué)期開設(shè)。

課程內(nèi)容的選取

現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)是一門強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用的課程，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其發(fā)展與相關(guān)的應(yīng)用層出不窮。而目前現(xiàn)場(chǎng)總線具有不少于20種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在課程中不可能都作為講課內(nèi)容，選取合適的教學(xué)內(nèi)容，采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。基于我院實(shí)際情況，我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容選取上遵循以下原則：（1）選用被列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的常用現(xiàn)場(chǎng)總線；（2）在較常用的現(xiàn)場(chǎng)總線中選取與前續(xù)課程緊密相關(guān)的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)課程的關(guān)聯(lián)性和擴(kuò)展性。

課程內(nèi)容主要采用項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行開發(fā)，項(xiàng)目與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，以便快速提高學(xué)生的崗位適應(yīng)能力；教學(xué)方法相應(yīng)采用演示、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、分組討論、小組競(jìng)賽等，淡理論、重實(shí)踐，提高學(xué)生的參與熱情。

根據(jù)以上原則，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況和我專業(yè)現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)設(shè)備以及對(duì)企業(yè)和畢業(yè)生的調(diào)研情況，精心設(shè)計(jì)和組織本課程的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)編寫了相應(yīng)的校本教材；三菱、西門子PLC在我國(guó)的應(yīng)用較為普遍，也是高職相關(guān)課程中選用最多的PLC類型，為不失一般性，在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程中以這兩種PLC為平臺(tái)，引進(jìn)其相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link及Profibus作為學(xué)習(xí)和實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，由于Modbus協(xié)議開放、應(yīng)用廣泛，將其通信內(nèi)容也作為教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。

一般現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用系統(tǒng)都較為復(fù)雜，且涉及多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，如此繁雜的內(nèi)容如何能夠用簡(jiǎn)捷的教學(xué)方法闡述清楚，是我們?cè)诮虒W(xué)過程中經(jīng)常碰到的問題。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們從應(yīng)用出發(fā)，在完成PLC、單片機(jī)及變頻器等課程的學(xué)習(xí)后，首先指導(dǎo)學(xué)生從熟悉的控制系統(tǒng)出發(fā)，引入現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，通過比較，學(xué)生很容易理解，且上手很快，學(xué)習(xí)熱情很高，而且通過具體的系統(tǒng)構(gòu)建和調(diào)試，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，了解了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的全貌，同時(shí)對(duì)學(xué)生的規(guī)范操作也起到強(qiáng)化訓(xùn)練的作用。

隨著專業(yè)建設(shè)的深入，我們與多家企業(yè)合作，進(jìn)行工學(xué)結(jié)合和頂崗實(shí)習(xí)，初步形成了校外實(shí)踐基地的建設(shè)，部分實(shí)踐基地也可作為很好的現(xiàn)場(chǎng)總線課程現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的場(chǎng)所。同時(shí)，為滿足專業(yè)課程的教學(xué)需要，我們對(duì)原先單一功能的實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）室進(jìn)行了改造，成為集授課區(qū)、討論區(qū)、訓(xùn)練區(qū)和信息區(qū)于一體的新型教室。通過教學(xué)環(huán)境的改善，更好地滿足了“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)要求。下面以Modbus總線的學(xué)習(xí)內(nèi)容為例，介紹本課程教學(xué)開發(fā)思路和實(shí)施過程。

Modbus總線項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容分為三個(gè)模塊：（1）Modbus總線的認(rèn)識(shí)。（2）Modbus總線在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）基于Modbus總線的供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。三個(gè)模塊連貫性很強(qiáng)，前一個(gè)模塊是后一個(gè)模塊的基礎(chǔ)，后一個(gè)模塊是前一個(gè)模塊的應(yīng)用和深入。通過該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以學(xué)會(huì)Modbus的協(xié)議規(guī)范、常用幾種功能碼的格式和在實(shí)際系統(tǒng)中的使用方法。由于該課程綜合性和應(yīng)用性非常強(qiáng)，每一種總線都要搭建出系統(tǒng)，如何才能在有限的時(shí)間內(nèi)將龐大的系統(tǒng)搭建并運(yùn)行起來成為關(guān)鍵。我們采用搭積木的形式，由簡(jiǎn)到繁，逐層遞進(jìn)，硬件設(shè)備從少到多，系統(tǒng)的功能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單一功能的實(shí)現(xiàn)到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行。這樣，不但可以讓學(xué)生了解Modbus技術(shù)內(nèi)容，而且可以讓學(xué)生通過實(shí)踐環(huán)節(jié)將已學(xué)或新學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通。

教學(xué)對(duì)象的選擇及系統(tǒng)配置

以模塊2的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容來介紹具體實(shí)施過程。該模塊的主要任務(wù)是通過采用Modbus總線技術(shù)對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行修改和監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程改變和調(diào)整電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速，并對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和故障報(bào)警。教學(xué)安排在變頻調(diào)速實(shí)訓(xùn)室完成，該實(shí)訓(xùn)室有施耐德Twido系列PLC、ATV31變頻器，這兩種設(shè)備均集成有Modbus通訊協(xié)議，可以滿足實(shí)訓(xùn)條件的基本要求。

（一）選擇的意義

變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和明顯的節(jié)電效果，廣泛應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的節(jié)能改造項(xiàng)目中。采用Modbus通訊方式控制變頻器是一種比較新的方法，同面板設(shè)置相比可以避免誤操作和在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下工作；同外部端子工作方式相比接線更為簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)現(xiàn)方便，可以更好地發(fā)揮變頻器的功能。如可以使PLC以通訊的方式獲取變頻器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，可以進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作和信息的雙向交換，工作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)就能準(zhǔn)確地把握現(xiàn)場(chǎng)變頻設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并隨時(shí)進(jìn)行控制操作。這種控制方式尤其適用于小型控制系統(tǒng)或單機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的主從式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

（二）系統(tǒng)配置

Twido系列的PLC內(nèi)部集成有Modbus通訊協(xié)議，是施耐德電氣公司的一個(gè)功能較強(qiáng)的PLC產(chǎn)品，在ATV31型號(hào)變頻器中同樣集成有Modbus通訊協(xié)議，通過借助這兩款產(chǎn)品內(nèi)置的Modbus功能就可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方式更為靈活的控制功能，而無(wú)需添加模擬量輸出模塊或額外增加PLC的離散量輸出點(diǎn)。

在系統(tǒng)配置時(shí)，將PLC作為主站，變頻器設(shè)為從站，主站通過站號(hào)區(qū)分不同的從站，從站在收到主站的讀/寫命令后發(fā)送數(shù)據(jù)。

TWDLCAA40DRF PLC為一體型PLC，有兩個(gè)通信口，端口1用于連接編程電纜，端口2用于連接變頻器的Modbus端口；變頻器型號(hào)為ATV31H075N4A，該變頻器頻率調(diào)整可以采用面板設(shè)置、外接端子排控制和總線控制方式。采用Modbus總線連接PLC與變頻器，只需要一根通訊電纜，將八針圓頭一端連接到PLC的通訊端口2上，電纜另一端為RJ45連接頭，連接在變頻器的Modbus口上（即RJ45端口）。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的外部接線如圖1所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的外部接線圖

教學(xué)實(shí)施步驟

（一）提出和分析控制要求

首先向?qū)W生提出控制要求。在本系統(tǒng)中，要求PLC和變頻器之間通過Modbus通信，實(shí)現(xiàn)PLC控制變頻器，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、完成速度設(shè)定和運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。

先選用傳統(tǒng)的控制方法，如通過面板監(jiān)控與調(diào)節(jié)參數(shù)來滿足控制要求，通過分析比較發(fā)現(xiàn)：必須現(xiàn)場(chǎng)操作且操作復(fù)雜，監(jiān)控不便；然后提出采用通信控制方法來克服其缺點(diǎn)，通過Modbus通信實(shí)現(xiàn)相同的控制要求。

（二）進(jìn)行系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)置

硬件參數(shù)設(shè)置包括PLC的端口參數(shù)設(shè)置和變頻器參數(shù)的設(shè)置。通過現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)邊講邊練完成。

PLC的配置 PLC的端口配置和參數(shù)設(shè)置如圖2所示。點(diǎn)擊“添加選件”，選擇“TWDNCAC485D”，在“硬件”中就會(huì)出現(xiàn)通信“端口2”；然后對(duì)端口1和端口2分別進(jìn)行通訊參數(shù)配置。在配置通信參數(shù)時(shí)，可以選擇ASCII傳輸模式或者RTU傳輸模式，使用哪種傳輸模式由主設(shè)備進(jìn)行選擇，但在同一個(gè)系統(tǒng)中不能混合使用兩種模式。參數(shù)配置時(shí)也可提出問題，讓學(xué)生清楚兩種傳輸模式間格式的區(qū)別和適用范圍。

圖2 PLC的端口配置圖

變頻器的參數(shù)設(shè)置 為了實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)ATV31的Modbus通信控制，需要在變頻器上設(shè)置控制方式和通信參數(shù)，其通信參數(shù)、數(shù)據(jù)格式與PLC設(shè)置要保持一致。控制方式需要設(shè)置三個(gè)參數(shù)：CTL-LAC-〉選擇參數(shù)為L(zhǎng)3；CTL-FR1-〉選擇參數(shù)為Ndb；CTL-CHCF-〉選擇參數(shù)為SIN。為了建立正確的通信，還需要在變頻器內(nèi)設(shè)置與通信有關(guān)的站號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)，設(shè)置步驟為：CON-Add設(shè)置變頻器地址，地址在1~247范圍內(nèi)可選；CON-tbr設(shè)置通信速率，可以設(shè)為4.8 kbps、9.6 kbps或19.2kbps；通過路徑CON-tFO設(shè)置Modbus通信格式，可以選擇8O1、8E1、8n1或 8n2格式。硬件參數(shù)配置完成后，根據(jù)學(xué)生掌握情況進(jìn)入總線控制系統(tǒng)功能實(shí)施階段。

（三）系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

要想讓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需要在主機(jī)PLC里面下載相應(yīng)的邏輯關(guān)系程序。最終通過在PLC監(jiān)控程序上在線監(jiān)控和修改變頻器的相關(guān)參數(shù)，讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)Modbus通信的目的、通信的內(nèi)容及表現(xiàn)形式。準(zhǔn)備知識(shí)包括了解Modbus通訊常用的功能代碼及編程格式。

準(zhǔn)備知識(shí)1：功能代碼含義。

變頻器Modbus通訊通常用到的功能代碼是03、06、16和43。在Modbus協(xié)議中，變頻器的頻率、電壓、電流等參數(shù)值存放在相應(yīng)的寄存器中；運(yùn)行、停止、報(bào)警等開關(guān)量信息則用寄存器的位來表示。因此，PLC通過讀寫相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器狀態(tài)的監(jiān)控和參數(shù)修改。

要想實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，需要采用計(jì)算機(jī)或觸摸屏等人機(jī)界面與PLC連接起來，并且在編寫PLC程序時(shí)選擇Modbus的03號(hào)功能代碼，通過此代碼可以將指定從站的多個(gè)寄存器值讀入對(duì)應(yīng)的PLC寄存器。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)通過PLC程序改變當(dāng)前變頻器控制的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行頻率等參數(shù)，需要選用Modbus的16號(hào)功能代碼，通過此代碼可以完成將數(shù)據(jù)寫到指定的從站寄存器中，即往變頻器的控制字CMD中寫入控制命令和需要調(diào)整的頻率。

準(zhǔn)備知識(shí)2：解讀編程格式。

讀取變頻器的參數(shù)程序格式如圖3所示。教學(xué)中邊操作邊講解，并通過投影儀將實(shí)時(shí)操作畫面投影到大屏幕上，邊講解格式邊現(xiàn)場(chǎng)觀察通信數(shù)據(jù)改變對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)影響。

圖3 讀取功能格式圖

例如，%MW2地址中的數(shù)據(jù)16#0203含義為主設(shè)備對(duì)從站2的查詢，執(zhí)行功能代碼03；%MW3中的值為讀出變頻器狀態(tài)字ETA的指定地址W3201；從站的回應(yīng)值放在%MW5、%MW6、% MW7地址中；配合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表（如圖4所示），觀察返回值。

講解完以后修改圖3程序中的指定地址16#0C81，讓學(xué)生觀察動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的變換；繼續(xù)修改讀取的字?jǐn)?shù)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)觀察動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)情況。從而完成對(duì)變頻器各種工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，加深學(xué)生對(duì)Modbus通信格式的理解及對(duì)總線控制系統(tǒng)的綜合認(rèn)識(shí)。

圖4 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖表

學(xué)生練習(xí)：讓學(xué)生自己去修改變頻器的相關(guān)參數(shù)，觀察電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化情況；根據(jù)學(xué)生掌握情況，也可以設(shè)置部分故障訓(xùn)練學(xué)生排故能力，加深對(duì)知識(shí)的理解，如圖4所示，% MW7中的值是變頻器狀態(tài)返回值，16#0208表明變頻器故障，讓學(xué)生分析原因并排除故障。

學(xué)生練習(xí)完成后，由學(xué)生分組演示和講解系統(tǒng)運(yùn)行情況和心得。教師講評(píng)各組的作品，提出改進(jìn)意見和要求，并對(duì)本次教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的歸納和總結(jié)，鞏固學(xué)習(xí)知識(shí)。

在 Modbus總線項(xiàng)目的實(shí)施中，我們選取了直接支持Modbus協(xié)議的PLC和變頻器，系統(tǒng)連接和編程都非常簡(jiǎn)單和直接。其目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用Modbus總線進(jìn)行組網(wǎng)和通信，在現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)可以根據(jù)學(xué)生反映情況進(jìn)行變頻器中相應(yīng)參數(shù)的讀取、修改、排故等練習(xí)，使得學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)，加深對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的理解。本教學(xué)項(xiàng)目通過教學(xué)實(shí)踐有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）使用Modbus總線將已學(xué)PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)連接成一個(gè)系統(tǒng)，連線簡(jiǎn)單直觀，系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)明確，方便學(xué)生對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的理解；（2）PLC采用通信方式進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置，也是對(duì)已學(xué)PLC、變頻器的知識(shí)進(jìn)行具體的應(yīng)用和拓展。（3）學(xué)生通過對(duì)該次任務(wù)的資料整理和匯總，可以很好地梳理學(xué)習(xí)過程中遇見的問題并總結(jié)解決的辦法。

在該項(xiàng)目的模塊2基礎(chǔ)上，可再通過添加觸摸屏和接線盒形成PLC、觸摸屏、多臺(tái)變頻器構(gòu)成的綜合控制系統(tǒng)，完成模塊3的控制任務(wù)。模塊3教學(xué)任務(wù)可以采用教師提出控制要求，學(xué)生自己搭建系統(tǒng)和編寫程序，在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成控制任務(wù)。本項(xiàng)目配合積木式的柔性教學(xué)設(shè)備，可以搭接和擴(kuò)展不同的總線控制系統(tǒng)，既可以用于分項(xiàng)的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，也可以完成較為復(fù)雜的總線系統(tǒng)的綜合實(shí)訓(xùn)。

在總線技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，通過采用合理的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法，可使學(xué)生對(duì)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和具體應(yīng)用有清晰的認(rèn)識(shí)，主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情普遍提高，實(shí)踐能力也明顯加強(qiáng)，取得較好的教學(xué)效果。

[1]郭瓊.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（1）.

[2]黃志強(qiáng)，袁廣亮，王立軍.變頻調(diào)速器實(shí)時(shí)監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2005，35（5）.

[3]施耐德電氣公司.ATV31變頻器Modbus用戶手冊(cè)CANopen用戶手冊(cè)[Z].2005.

[4]施耐德電氣公司.Twido可編程序控制器軟件參考手冊(cè)中文V3.2[Z].2005.

[5]劉文偉，李琳，孫盛琪，董亮.基于控制網(wǎng)絡(luò)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（7）.

G712

A

1672-5727（2011）07-0087-03

郭瓊（1969—），女，四川營(yíng)山人，碩士，無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制技術(shù)系副教授，研究方向?yàn)檫^程控制。