基于Modbus協議多通信接口的工控組態軟件PMSM控制

張利國，竇滿峰

(1.西北工業大學，陜西西安，710129;2.東北石油大學秦皇島分校，河北秦皇島，066004)

0 引 言

DSP以其強大的數據處理能力，成為電機控制的首選芯片，而電機的運行參數和運行狀態要想直觀的體現出來，必需通過上位機軟件的豐富功能來實現。目前，Labview虛擬儀器作為上位機軟件應用研究較為廣泛，多采用RS-232或RS-485的用戶自定義串口通信，無法適應工控領域的應用，為適應工控領域串口通信的需求，設計與工控領域組態軟件如力控軟件、組王軟件等的硬件接口，滿足實現工控組態軟件對電機控制驅動的智能控制。

文獻［1］介紹了Modbus通信協議利用RS232通信，只針對專用開發軟件的通信設計，不具有推廣性;文獻［2］介紹了一種InTouch組態軟件的RS232通信，利用第三方軟件，編程復雜。本文介紹可編程多種通信接口，適應工業中多數組態軟件具有Moudbus通信協議端口的硬件及軟件設計接口技術。解決一個設計項目對多種接口的需求，給出多接口實現方案。

1 串行通信技術

串口通信僅僅定義了硬件的通信規范，而沒有具體的軟件通信協議，通常稱之為自由協議。因此，串口通信經常與軟件通信協議結合。Modbus通訊協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。

1.1 電機驅動控制Modbus_RTU串口通信設計［3］

本設計采用Modbus通訊規約中RTU(Remote Terminal Unit)協議(Modbus規約包括RTU協議和ASCII協議)。RTU通訊方式采用8位二進制數據傳數據，CRC循環冗余校驗作為數據校驗，通訊速度較快。本接口技術通訊協議(Modbus_RTU)中的數據結構以及數據傳輸采用以下規范:

(1)數據傳輸格式

異步傳輸，1位起始位，8位數據位，2位停止位，無校驗位，共11位。缺省波特率為9 600 bit/s。從機支持主機修改傳輸速率。

(2)數據收發功能報文格式

數據報文格式如表1所示。

表1 上位機請求讀寫取數據報文格式

本設計采用讀一組寄存器數據功能碼03H和寫一組寄存器數據功能碼10H。

主機從從機獲得數據，包括從機儀表采集的模擬量數據、開關量數據及系統參數等。從機的地址、通信波特率寫入、開關量輸出、模擬量輸出和系統參數的保存均采用相同的功能碼，每個寄存器對應特定的端口，每個端口控制指定的設備，這樣可提高控制的可靠性。

1.2 C語言軟件程序實現

下位機讀寫保持寄存器完成對上位機的請求的執行與應答。分別通過子程序實現03H和10H功能，它們擁有共同的實現結構，如圖1所示。

圖1 讀寫保持寄存器子程序結構框圖

共同的實現結構有助于簡化編程結構，提高程序的可擴展性，利于程序的實現與修改。

2 工控組態軟件接口

工控組態軟件［2-3］是數據采集與過程控制的專用軟件，其突出特點是實時多任務，可以實現數據采集與輸出、數據處理與算法、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理和實時通訊等多任務。

工控組態軟件選用北京三維力控組態軟件作為測試軟件，軟件可實現遠程遙控操作，遠程監測電機的工作狀態與性能，可及時采集數據并分析數據，生成可視化動態數據并生成有效數據庫。

2.1 建立數據庫［4］

定義一系列數據用于反映軟件監測與被控電機的各種參數，如:控制板實時溫度、母線電流、電機溫度、電機轉速及控制板采集的其它數據，還包括一些必要的中間變量和間接變量。數據庫如圖2所示。

圖2 變量管理窗口

2.2 動畫鏈接

建立數據庫中的數據與圖形對象的連接關系，使畫面生動直觀地反映參數的變化情況。如控制板實時監測母線電流，可設置過流報警限，如超過30 A報警，實現代碼如下:

2.3 I/O 連接

力控組態軟件對于采用不同通信協議的I/O可提供有針對性的I/O驅動程序，實時數據庫借助I/O驅動程序對I/O設備執行數據采集與指令控制，如本文介紹的Modbus RTU通信協議屬于工控組態軟件通用的工業控制通信協議，通過組態軟件的設置可較容易地實現I/O連接。

3 通信可擴展性方案及實現

3.1 通信可擴展性方案

RS-232和RS-485通訊接口的主要區別是:

(1)從接線上，RS-232是三線制，RS-485是兩線制;

(2)從傳輸距離上，RS-232只能傳輸15 m，RS-485最遠可以傳輸1 200 m;

(3)從速率上，RS-232是全雙工傳輸，RS-485是半雙工傳輸;

(4)從協議層上，RS-232只支持點對點通訊(1∶1)，RS 485支持總線形式通訊(1∶N)。

根據以上區別制定以下方案:

(1)根據需要選擇通信接口，RS-232接口適合近距離實驗性通信，RS-485適合于實際工程應用性通信。

(2)由于接口可選擇的設計，對硬件的設計要求提高，選擇單芯片多功能硬件，既能滿足設計要求，又能減輕硬件設計負擔。

(3)硬件設置接口選擇撥碼開關，軟件設計通過接口判斷位，執行相應程序。

3.2 硬件實現

電機控制板通訊芯片采用MAXIM公司生產的MAX3160，此芯片是一種高性能管腳可編程多協議收發器件，可通過引腳設置為2Tx/2Rx RS-232接口或單路RS-485/422收發器;該芯片內部采用雙電荷泵結構，獨特的低壓差發送輸出級，滿足RS-232和RS-485/422協議標準的電壓供電范圍+3～+5.5 V。芯片的接收器采用了失效保護電路，此功能確保當接收器輸入短路或開路時，器件輸出保持高電平，MAX3160的限擺率功能具有減小EMI和終端匹配不當時減小信號反射。當禁止限擺率功能時，其數據傳輸速率在RS-485/422模式下可高達10 Mb/s，在RS-232模式下可達1 Mb/s。另外，該器件還具有節電模式、過流保護和過熱保護功能。

本通信系統中RS-232接口和RS-485接口兼有。在以往的硬件設計中多采用多片專用芯片和控制電路來完成，造成結構復雜，穩定性差。采用MAX3160芯片并輔以少量其它電路，只需通過軟件編程來控制相應的管腳即可方便地實現RS-232和RS-485的接口組合，圖3給出基于TMS320F2812處理器通信接口方案，MAX3160有三個端口DSP軟件與DSP的三個端口連接，實現數據的傳送與控制。利用該電路可利用該電路可根據需要由軟件控制和 RS-485/RS-232等四個可編程腳，從而實現RS-232或RS-485異步通信。

圖3 通信接口電路

3.3 軟件實現

編程采用C語言實現，數據傳送采用RS-232或RS-485線上實時通訊。作為DSP內部編程方式是線上等待、中斷響應。圖4是Moudbus_RTU通信中斷程序的流程圖。

RS-232只支持點對點通訊，RS-485支持總線形式通訊。所以在數據接收與數據發送時，兩種接口的數據收發控制子程序有所區別。

另外，中斷程序中的功能多以子程序形式出現，提高程序的可讀性和運行的可靠性。子程序主要包括功能碼判斷、數據收發、10 ms定時軟復位中斷(超時)、校驗、數據非法判斷、寄存器讀寫和功能碼不識別應答等。

圖4 通信中斷程序流程圖

4 工控軟件結合硬件平臺的調試結果

4.1 工控軟件與電機驅動控制的無縫連接

工控軟件與電機驅動控制通過滿足如下條件實現無縫連接。

(1)電機驅動控制通信硬件接口電路，可實現RS-232和RS-485通信。

(2)配合相應接口基于Modbus_RTU通信協議的軟件編程。

(3)對應RS-232和RS-485接口與上位機接口的轉換裝置。

(4)工控組態軟件與下位機接口設置及工控組態軟件的上位機編程。

工控軟件結合硬件平臺的調試是將下位機控制器的通信硬件電路，利用硬件轉接接口與上位機通信接口進行硬件連接，進行下位機軟件與上位機軟件的聯合調試。下位機進行實時測量并記錄數據，上位機請求發送實時采集數據，并通過工控軟件對數據進行分析并描繪出實時的變化曲線。圖5為上位機工控軟件采集到的數據并進行了實時顯示。

圖5 工控軟件界面

4.2 工控組態軟件對電機的智能控制

工控組態軟件對電機的智能控制主要體現在，可實現電機的起停、遠程控制、電機控制參數調整、電機故障報警和電機運行歷史參數查詢。

試驗條件，采用力控工控組態軟件設計的上位機控制界面;上位機與控制板選擇使用RS-485接口;電機控制器采用TMS320F2812為控制核心，IGBT三相全橋逆變器驅動電機;電機采用18 kW永磁同步電機。調試項目及結果如下:

(1)電機起動、停止，工控組態軟件發送控制命令，通過電機控制器可控制電機正常起動和停止。

(2)工控組態軟件設置電機轉速，與電機控制器通信，由控制器控制電機按設定轉速運行，電機轉速測得滿足設定值。

(3)工控組態軟件設定電機故障報警限制，數據傳輸電機控制器，當電機故障時產生報警信息。試驗設定電機過熱報警上限，產生硬件報警信息，同時報警數據傳輸到工控組態軟件。

(4)工控組態軟件建立數據庫，可將下位機傳輸到上位機的實時存儲，并可隨時通過工控組態軟件查看。

工控組態軟件實現根據項目任務改變上位機編程及界面設置，完成對電機的實時控制和實時數據采集，達到對電機的實時監控。

5 結 語

本文通過對電機控制器通信電路的設計及軟件編程，實現了與上位機工控軟件的接口技術。設計與調試結果得到以下結論:

(1)Modbus_RTU通信協議在TMS320F2812處理器中的軟件實現，能夠適應工控領域采用此協議的組態軟件實現通信;

(2)通信接口的硬件設計及軟件編程，硬件通信可擴展能力強，為遠程通信包括網絡通信提供基礎;

(3)完善的上位機力控軟件與下位機軟件設計，可為其它組態軟件的使用提供參考。

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