基于Modbus-RTU通訊的工業觸摸屏與變頻器控制系統

徐昌紅 余宏翔

海申機電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

自動化控制系統在工業控制領域應用十分廣泛，已經普及到生產和生活的各個方面。多種控制模式和手段可以實現設備的自動化運轉，常規的設計方法是通過觸摸屏（指令，HMI）+可編程邏輯控制器（PLC）+變頻器（控制）+輔助繼電器+設備等一系列器件來完成自動化控制。這種控制模式的工作原理是：通過觸摸屏人機界面來發送指令、設置參數、顯示數據、監控設備狀態，以曲線動畫等形式描繪自動化控制過程和參數；利用PLC編程來實現邏輯和順序控制；通過變頻器和輔助繼電器來控制現場設備的實際運行。這種常規控制模式的缺點是：PLC抗干擾能力差，尤其是受變頻器發出的高次諧波的干擾尤為嚴重；變頻器運行數據采集受PLC模塊的限制；采用點對點連接的方式，響應速度和精度差；設計線路和接線復雜、PLC及其模塊成本高；等等。為解決長期困擾工控行業的變頻器干擾問題，進一步提高控制響應速度和精度，降低成本，實現更簡潔的控制，現介紹一種控制模式，省掉PLC和各種模塊、繼電器等輔助器件，用工業觸摸屏直接通過Modbus-RTU通訊方式來控制和監控變頻器的運行。

1 控制系統簡述

1.1 系統邏輯工藝

1.1.1 常規控制模式（HMI+PLC+變頻器）

常規控制模式采用HMI+PLC+變頻器控制，觸摸屏和PLC建立通訊后，通過PLC及其輔助模塊（I/O模塊和AI/AO模塊）以點對點硬線連接的方式控制各類變頻器的運行和給定運行頻率等，見圖1。該控制模式線路復雜，PLC抗干擾能力差，尤其是受變頻器發出的高次諧波的干擾尤為嚴重。

圖1 常規控制（HMI+PLC+變頻器）邏輯模式

1.1.2 全新的控制模式（HMI+變頻器）

為解決常規控制模式的種種缺陷，提高響應速度、采集較多的運行數據、降低成本、實現更簡潔的控制，用工業觸摸屏通過Modbus-RTU通訊方式，配合宏語言（類似于VB Script語言的格式）編程，來代替PLC實現簡單的邏輯和順序控制。該控制模式見圖2，觸摸屏配合變頻器采用通訊方式讀取參數并進行控制，能使控制系統更加簡潔、抗干擾能力增強，從而使其功能更強大。

圖2 HMI+變頻器控制邏輯模式

1.2 新控制系統實現的方法及注意事項

1.2.1 觸摸屏和變頻器的連線

為順利實現參數讀取和控制功能，觸摸屏和變頻器必須具備以下2個條件：

（1）工業觸摸屏具備RS-485通訊端口，符合標準Modbus-RTU通訊協議；

（2）變頻器支持標準的Modbus-RTU通訊協議。

1.2.2 通訊參數設置

（1）變頻器參數設置

變頻器設置參數包括：標準Modbus-RTU協議、站號、波特率、奇偶校驗、停止位等通訊參數；控制信號和給定運行參數的來源、地址的對應關系等。

（2）觸摸屏通訊端口的設置

觸摸屏端口的站號、波特率、奇偶校驗和停止位等通訊參數必須與變頻器參數設置一致，否則無法進行通訊。

1.2.3 變頻器功能碼與觸摸屏通訊地址對應關系

觸摸屏和變頻器采用Modbus-RTU標準的通訊協議。Modbus協議在一根通訊線上使用主從應答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。Modbus協議詳細定義了校驗碼、數據序列等，這些都是特定數據交換的必要內容。

Modbus楨結構組成：地址、功能碼、開始地址、數據長度、CRC檢驗碼。在地址對應關系上要嚴格遵守Modbus所規定的楨結構。

例如：發出的【02 06 08 99 02 58 CRC校驗碼】中：02表示站號為2；06表示預置單寄存器，寫數據到執行機構的單個保持寄存器（16位字）；08 99表示開始地址，16#0899轉化成10#2201；02 58為數據長度，16#0258轉化成10#600；CRC為校驗碼。

1.2.4 觸摸屏對變頻器的程序化控制（宏語言編程）

為了實現復雜、精準的控制功能，采用觸摸屏自帶的宏指令（腳本程序）來進行編程，觸摸屏的宏指令提供了應用程序之外附加的所需功能，通過宏語句編制的邏輯運算可以實現某些特定功能的函數運算，它可以承擔譬如較為復雜的運算、字符串的處理、使用者與工程設備之間的交流等功能。

通過一段宏語言來實現觸摸屏與變頻器設備之間讀取數據和計算功能的案例如下：

2 實際使用結果與討論

為避免常規控制模式的弊端而采用了上述新邏輯控制模式，通過實際應用和現場測試，發現新控制模式具有以下優點：（1）大大提高了所控設備的自動化程度，縮短了車間部門的生產周期，簡化了設計圖紙，減少了接線的工作量；（2）采集的數據多，可滿足對精準響應和多數據采集的要求，且抗干擾能力強，顯著提高了自動化精度；（3）節約了成本，可以省略PLC及其模塊以及大量的輔助器件，大大降低了電氣成本；（4）現場操作人員無需專業知識，操作簡便、直觀，便于用戶操作和監控，界面友好；（5）通過觸摸屏內部宏語句編制的邏輯運算，可以實現PLC才能實現的某些特定功能的函數運算；等等。

3 結語

采用這種全新的觸摸屏，通過Modbus通訊協議直接控制變頻器的控制系統，通過宏指令編程擴展對變頻器進行簡單的程序化控制，除了能降低成本、增加讀取運行參數的數據量、減少高達40%的接線、縮短現場設備的調試時間、降低維護費用外，還解決了長期困擾工控行業的變頻器干擾問題，并使得操作方便、直觀。

該控制系統已成功應用在海申機電總廠（象山）多個離心機項目上，用戶長期應用實踐的檢驗表明，這種控制模式使得電控系統穩定性良好，應用前景廣闊。