基于MODBUS现场总线技术的智能型电动机自动控制

李龙达 厦门ABB低压电器设备有限公司

基于MODBUS现场总线技术的智能型电动机自动控制

李龙达 厦门ABB低压电器设备有限公司

本文通过对MODBUS通信规约的解读，介绍了ABB基于MODBUS总线技术的智能型电动机自动化控制的应用，同时展望了该方案乐观的应用前景。

MODBUS RTU；现场总线；自动化控制

目前，我国工业生产智能化正从起步阶段迈向成熟阶段，随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握更多设备的运行参数和信息，需要同时按多点的信息实行操作控制。此时，生产现场的参数需要通过统一的模拟信号，如4～20mA的直流电流信号等，送往集中控制室。由于模拟信号的传递需要一对的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，而且信号传输的抗干扰能力较差，所以，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号。

基于MODBUS的现场总线控制系统是通过MODBUS网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。

基于MODBUS的现场总线作为一种先进的工业控制网络，将当今网络通信与管理的观念带入工业控制领域，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以MODBUS为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络控制系统，它是工厂的底层控制网络。从八十年代中期开始，经历了几十年的时间，MODBUS现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控等各个控制领域。

1 MODBUS现场总线协议

MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器和其它设备之间可以通信。它已经成为一个通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

MODBUS协议将通信参与者规定为“主”和“从”。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信，而从设备之间不能通信。主从设备之间通信的报文形式为请求/响应帧方式。MODBUS通信协议是单主站/多子站类型的通信协议，适用于需要通过RS485总线配置多子站的情况，即在同一MODBUS网络仅1台主设备能初始化传输（查询），从设备根据主设备查询提供的数据（功能码）做出相应反应，不需要握手。如果单独通信，从设备返回一个消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。

目前，MODBUS有下列三种通信方式：

（1）以太网，对应的通信模式是MODBUS TCP；

（2）异步串行传输（各种介质如有线RS-232-/422/485/、光纤、无线等），对应的通信模式是MODBUS RTU或MODBUS ASCII；

（3）高速令牌传递网络，对应的通信模式是MODBUS PLUS。

ABB公司的智能型电动机综合管理装置M10x-M就支持MODBUS RTU通信规约。

2 M10x-M的MODBUS RTU应用

电动机综合管理装置M10x是基于电流或电压测量的智能型电机保护控制装置。M10x-M是基于微处理器的产品，集丰富且标准的功能于一身。其标准功能方便维护和工厂后期扩建。通过特定的参数设置，M10x为各种电机的应用场合提供适当的控制、监测和保护功能。

M10x-M只能作为MODBUS的子站设备，不能作为主站初始化传输数据即查询数据。

2.1 网络结构

所有M10x-M装置通过总线挂到网络上，如图1所示，一段总线上至多能挂32个节点。通讯线的传输距离取决于通讯线的类型以及通讯传输速率，在通讯线的始末端需要配置一定的终端电阻。

图1 M10x-M网络连接图

2.2 数据传输格式，如表1所示

表1 数据传输格式

主站请求发送：

· 子站地址：1个字节；

· 功能码：1个字节；

· 数据长度：不同的功能码数据长度不同；

· CRC：2个字节。

子站响应请求：

· 子站地址：1个字节；

· 功能码：1个字节；

· 数据长度：不同的功能码数据长度不同；

· CRC：2个字节；

· 功能码：1个字节；

· 数据长度：不同的功能码数据长度不同；

· CRC冗余校验：2个字节。

子站地址：每帧数据的第一个字节代表子站地址。

主站通过将要通信的地址来选通子站设备。每个子站设备必须而且只有唯一的地址，当子站响应主站请求时，它把自己的地址放入响应的地址域中，以便主站知道是哪一个设备作出的响应。

在主站请求发送中，子站地址表示主站需要响应的子站设备的地址。在子站响应请求中，子站地址表示哪一个子站设备作出响应。

功能码域：每帧数据的第二个字节代表功能码。

M10x-M支持7种功能码：02（读参数和测量值），03（读参数和测量值），04（读参数和测量值），05（执行操作），06（写单个参数），08（回送返校）以及10（写多个参数）。当消息帧从主站设备发往子站设备时，功能码将告之子站设备需要执行哪些行为。当从设备响应时，它使用功能代码域来指示是正常响应（无误）还是有某种错误发生（称作异议响应）。对正常响应，从设备仅响应相应的功能代码。对异议响应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但功能码域高比特位置为1。如果子站响应的功能码最高位为1（例如：主站请求的功能码>127），M10x-M将不执行主站请求同时响应一个异常代码。

数据域：不同的功能码数据包含字节数不同。数据可能是测量值，设定值或地址，可能是主站发出请求或子站响应请求。

CRC校验：用2个字节表示CRC校验域。使用RTU模式时，消息帧包含了2个字节的CRC-16（16位循环检测）错误检测域。

例1：主站请求子站地址1的寄存器0x1021的值。在这个例子中寄存器（0x1021）的值是0x0023。数据传输指令如表2所示。

表2 数据传输指令

2.3 传输速率

M10x-M支持1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200 bps、38400bps和57600bps七种波特率。

很多用户一直担心MODBUS的传输速率太低，导致响应时间太慢。实际上，以例1的数据传输指令为例，通信速率假设为19200bps，1个字节有11位，主站下发一个指令有8个字节，需求时间为：

T1= 1/19200×8×11×1000=4.58ms

子站响应7个字节，需求时间：

T2= 1/19200×7×11×1000=4.01ms

如果速率为57600bps，则响应时间T1、T2将分别减少为1.53ms和1.34ms。

M10x-M最多支持125个寄存器的同时读取，那么在通信速率57600bps下，子站响应时间仅仅为：

T2=1/57600×125×11×1000=24ms

此外，在RTU模式下面，因为RTU模式没有开始符和结束符，两个数据包之间只能靠时间间隔来区分，MODBUS定义在不同的波特率下，间隔时间是不一样的，波特率高，时间间隔就小，波特率低，时间间隔就大。一般来说，在使用RTU模式时，需要有一个定时器来计时，计时时间为3.5个字符的时间，如果正在接受的过程中，发现定时器超时，子站则认为数据传送失败并重新等待再一次发送，即所有子站将再一次等待主站的新一轮数据发送。例如：当数据以57600波特率传输时，网络超时时间间隔为0.67毫秒（3.5×1/57600×11×1000），如果等待时间超过了这个时间间隔，数据包将重新发送。

可见，在实际项目中，每个设备需要的通信时间很短，反而因为通信口的物理原因，需要花费一定的时间处理数据。在实际项目中，由于客户需要读取一定的电参量，如三相电流、电压、功率、电机状态、故障信号和故障信息等，很多电动机保护设备在这些数据存储在不连续的寄存器地址，导致主站无法一次性全部读取，需要花费2次、3次，甚至更多次才能读完所有的数据。而子站每次响应都要花费一定的处理时间，导致系统通信效率较低。

M10x-M提供80个寄存器的用户自定义区，用户有权限完全根据自己的实际情况，将所需要的数据映射入用户自定义存储区。这样，主站只需要每个设备读取1次，就能获得所需的数据，大大减少了多次读取浪费的时间。

2.4 传输内容

M10x-M能够将监控数据和设置参数通过MODBUS RTU上传至后台系统，也能够通过总线接受后台系统下发的控制指令和调整参数：

（1）电气信息：三相电流，三相百分比电流，电流不平衡度，热容值，功率因素，三相线电压，频率，接地故障电流，有功功率，视在功率，电度，热敏电阻阻值，脱扣/复位时间，实际起动时间等；

（2）电机状态：电机状态，数字量输入口状态等；

（3）诊断信息：各功能的告警信息，脱扣信息等；

（4）维护信息：运行时间，停止时间，起动次数，脱扣次数，事件记录等；

（5）控制参数：起动类型，起动时间，起动命令，停机命令，数字量输入口功能，数字量输出口功能等；

（6）保护参数：热过载保护参数，堵转保护参数，断相保护参数等。

3 电机的自动化控制

3.1 电机控制

M10x-M可以接受后台系统通过MODBUS RTU现场总线下发的起停指令对控制继电器CCA、CCB、CCC的控制，可以支持多种起动控制方式，并通过接触器辅助触点的状态反馈，反馈设定超时和电流，实时监测电动机运行状态。

例如，星三角起动电机，电动机以星型降压起动，在切换时间到达后，进行Y-Δ切换，电动机以三角形方式运行，以减少起动电流。使用M10x-M控制电动机进行星三角起动时，不需要增加多余的中间继电器和时间继电器，所有的控制逻辑都由M10x-M内部集成，详细的接线图，如图2所示。当接受到起动命令时，控制接触器CCB和CCC闭合，电机星型运行，但经过设置的切换时间后，CCA和CCC闭合，CCB打开，电机三角运行。

图2 星三角起动控制原理图

除了星三角起动外，M10x-M还支持以下起动控制方式：直接起动、直接起动（带控制按钮盒）、正反转-直接起动、正反转-直接起动（带控制按钮盒）、正反转-直接起动（带限位开关）、双速控制（单绕组）、双速控制（双绕组）、自耦变压器降压起动、软起动器控制、正反转－软起动器控制、带接触器的馈电回路、带接触器的馈电回路（带控制按钮盒）和馈电单元的控制。

3.2 电机保护

M10x-M对电动机运行过程中的各种运行状况的详细信息进行采集跟踪，通过对故障报警、保护动作（保护脱扣）以及动作延时时间的设定来实现及时准确的保护，保证生产的安全。同时通过总线通信可以将电动机运行状况在后台系统进行实时显示，为过程分析和管理优化提供基础。在设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免不必要的停机对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行的有效性。

当电动机运行参数达到预置的报警值时，保护装置会进行报警。超过预置的脱扣值时，定时器将被激活，电机将进入脱扣倒计时状态。倒计时的时间段是根据设置的脱扣延迟参数，只要故障存在，M10x-M将一直倒计时。超过整定延时时间后，电机最终将脱扣。如果在倒计时结束前排除故障，定时器将复位并关闭，电机不会脱扣，仍然保持运行状态，但M10x-M仍会产生告警事件记录信息。此外，脱扣时间和复位时间等操作数据可通过现场总线或操作面板进行修改。

M10x-M提供下列保护：热过载保护、堵转保护、起动时间过长保护、断相保护、三相不平衡保护、低载保护、空载保护、接地故障保护、电机热保护、起动限制保护、低电压保护和自动重起动功能。

4 现场总线自动化控制的优点

与传统的控制系统相比，M10x-M基于MODBUS总线规约的控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出相当的优越性。

（1）减少硬件数量和投资：分散在现场的M10x-M能直接执行多种测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器，计算单元等，也不再需要一些信号调节、转换等功能单元。

（2）节省安装费用：一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

（3）节省维护开销：M10x-M具有自诊断与简单故障处理的能力；通过MODBUS RTU通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

（4）提高了系统的准确性与可靠性：与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差，提高了系统的工作可靠性。

（5）M10x-M提供两个冗余的通信口，两个通信口是相对独立，可以单独工作。当其中一个口的通信发生故障时，控制系统仍然能够通过预接的冗余的通信口进行通信，从而保证通信系统的可靠性。

5 调试注意事项

安装调试M10x-M的电机控制系统时需注意以下几点：

（1）主从站在通信之前，要确认MODBUS总线电缆连接可靠并正确相连，子站地址和通信参数设置正确。

（2）M10x-M控制面板上的“就绪”绿灯闪烁或不亮，说明硬件存在故障。

（3）电机主回路接触器的线圈建议并联阻容吸收元件。

（4）在每个网段末端处最好选配120欧姆的终端电阻。

6 结语

基于MODBUS总线的智能型电机控制系统取消了传统方式中控制柜的保护、控制、测量、信号等电缆，不仅节省了投资而且大大提高了系统的可靠性。该系统能够提供详尽的保护，支持多类的控制方式，并能够通过总线读取项目实际需求的所有电气信息和维护信息，是企业生产自动化的趋势，必将逐步替代传统的控制系统。

[1] 任洪波, 周伟国, 张琳. 现场总线技术在热工控制系统中的应用[J]. 仪表技术, 2005, 2.

[2] 温克强. Modbus通讯协议在DCS与PLC通讯中的应用[J]. 石油化工自动化, 2005(6).

[3] 高峰. 基于Profibus-DP总线的智能型电机控制系统的应用[J]. 电工技术2011(8).

Automation Control of Intelligent Motor based on MODBUS Fieldbus Technology

By introducing the MODBUS communication protocol this paper gives the ABB's solution of intelligent motor control which is based on MODBUS technology. The article also gives an optimistic prospect of automation control system.

MODBUS RTU; Fieldbus; Automation Control

李龙达（1982-），男，福建福州人，中级工程师，本科，现就职于厦门ABB低压电器设备有限公司，主要研究方向为低压开关柜智能化方案。