基于Modbus总线应用的教学设计

郭 琼 韩东起

（无锡职业技术学院 江苏 无锡 214121）

基于Modbus总线应用的教学设计

郭 琼 韩东起

（无锡职业技术学院 江苏 无锡 214121）

总线控制技术是一门涉及多学科、多知识领域的专业课程。结合高职学生知识结构现状和生产实际，以案例带动知识点开展学习，注重培养学生解决实际问题的能力，掌握使用目前工业领域广泛使用的现场总线的方法，可以缩短理论课堂教学与实际生产应用的距离，提高教学的针对性和实效性，培养和提高学生对总线控制系统的构建和使用能力。本文主要以M odbus总线的学习内容为例，阐述了本课程教学开发思路和实施过程。

现场总线；M odbus；教学设计

课程描述

电气自动化专业是我院的一个老牌专业，始创于1988年，经过多年的努力，该专业无论在办学还是在师资建设上都取得了长足的进展。近年来随着自动控制技术的不断发展，许多新技术不断应用，对教学内容也提出了更高的要求。现场总线控制系统（FCS）作为第五代控制系统，因其所具有的突出优点，在工业企业中也迅速得到普及和应用。为适应新技术的发展，为学生今后就业或深造打下一定的基础，我专业于2007年开设了《总线技术及应用》课程，该门课程是一门综合应用计算机技术、网络技术、自动控制技术的课程，也是《PLC技术及应用》、《微控制器原理及应用》、《运动控制系统安装调试与运行》等课程的后续课程，课程课时为48学时，在第五学期开设。

课程内容的选取

现场总线控制技术是一门强调实际应用的课程，在工业现场，其发展与相关的应用层出不穷。而目前现场总线具有不少于20种国际标准，在课程中不可能都作为讲课内容，选取合适的教学内容，采用恰当的教学方法，是提高教学质量的关键。基于我院实际情况，我们在教学内容选取上遵循以下原则：（1）选用被列入国际标准和国家标准的常用现场总线；（2）在较常用的现场总线中选取与前续课程紧密相关的内容，强调课程的关联性和扩展性。

课程内容主要采用项目教学法进行开发，项目与生产实际相结合，以便快速提高学生的岗位适应能力；教学方法相应采用演示、现场教学、分组讨论、小组竞赛等，淡理论、重实践，提高学生的参与热情。

根据以上原则，结合实际应用情况和我专业现有实训设备以及对企业和毕业生的调研情况，精心设计和组织本课程的教学内容，同时编写了相应的校本教材；三菱、西门子PLC在我国的应用较为普遍，也是高职相关课程中选用最多的PLC类型，为不失一般性，在现场总线技术课程中以这两种PLC为平台，引进其相关的现场总线CC-Link及Profibus作为学习和实践的教学内容。同时，由于Modbus协议开放、应用广泛，将其通信内容也作为教学的重点内容。

一般现场总线的应用系统都较为复杂，且涉及多学科的相关知识，如此繁杂的内容如何能够用简捷的教学方法阐述清楚，是我们在教学过程中经常碰到的问题。在教学设计中，我们从应用出发，在完成PLC、单片机及变频器等课程的学习后，首先指导学生从熟悉的控制系统出发，引入现场总线控制方式，通过比较，学生很容易理解，且上手很快，学习热情很高，而且通过具体的系统构建和调试，强化了学生对基础理论的理解，了解了现场总线控制系统的全貌，同时对学生的规范操作也起到强化训练的作用。

随着专业建设的深入，我们与多家企业合作，进行工学结合和顶岗实习，初步形成了校外实践基地的建设，部分实践基地也可作为很好的现场总线课程现场教学的场所。同时，为满足专业课程的教学需要，我们对原先单一功能的实验（训）室进行了改造，成为集授课区、讨论区、训练区和信息区于一体的新型教室。通过教学环境的改善，更好地满足了“做中学、学中做”的教学要求。下面以Modbus总线的学习内容为例，介绍本课程教学开发思路和实施过程。

Modbus总线项目的教学内容分为三个模块：（1）Modbus总线的认识。（2）Modbus总线在变频调速系统中的应用。（3）基于Modbus总线的供水远程监控系统功能的实现。三个模块连贯性很强，前一个模块是后一个模块的基础，后一个模块是前一个模块的应用和深入。通过该项目的学习，学生可以学会Modbus的协议规范、常用几种功能码的格式和在实际系统中的使用方法。由于该课程综合性和应用性非常强，每一种总线都要搭建出系统，如何才能在有限的时间内将庞大的系统搭建并运行起来成为关键。我们采用搭积木的形式，由简到繁，逐层递进，硬件设备从少到多，系统的功能从简单到复杂，从单一功能的实现到实际应用系统的调试与运行。这样，不但可以让学生了解Modbus技术内容，而且可以让学生通过实践环节将已学或新学的知识融会贯通。

教学对象的选择及系统配置

以模块2的实训内容来介绍具体实施过程。该模块的主要任务是通过采用Modbus总线技术对变频器的参数进行修改和监控，从而实现远程改变和调整电动机实际运行状态及转速，并对电动机实际运行状态进行监控和故障报警。教学安排在变频调速实训室完成，该实训室有施耐德Twido系列PLC、ATV31变频器，这两种设备均集成有Modbus通讯协议，可以满足实训条件的基本要求。

（一）选择的意义

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和明显的节电效果，广泛应用于异步电动机调速系统和风机泵类负载的节能改造项目中。采用Modbus通讯方式控制变频器是一种比较新的方法，同面板设置相比可以避免误操作和在恶劣的现场环境下工作；同外部端子工作方式相比接线更为简单，远距离传输实现方便，可以更好地发挥变频器的功能。如可以使PLC以通讯的方式获取变频器当前的运行状态，可以进行设备的远距离操作和信息的双向交换，工作人员通过监控系统就能准确地把握现场变频设备的运行状态并随时进行控制操作。这种控制方式尤其适用于小型控制系统或单机控制系统，可以实现低成本、高性能的主从式计算机网络监控。

（二）系统配置

Twido系列的PLC内部集成有Modbus通讯协议，是施耐德电气公司的一个功能较强的PLC产品，在ATV31型号变频器中同样集成有Modbus通讯协议，通过借助这两款产品内置的Modbus功能就可实现比传统方式更为灵活的控制功能，而无需添加模拟量输出模块或额外增加PLC的离散量输出点。

在系统配置时，将PLC作为主站，变频器设为从站，主站通过站号区分不同的从站，从站在收到主站的读/写命令后发送数据。

TWDLCAA40DRF PLC为一体型PLC，有两个通信口，端口1用于连接编程电缆，端口2用于连接变频器的Modbus端口；变频器型号为ATV31H075N4A，该变频器频率调整可以采用面板设置、外接端子排控制和总线控制方式。采用Modbus总线连接PLC与变频器，只需要一根通讯电缆，将八针圆头一端连接到PLC的通讯端口2上，电缆另一端为RJ45连接头，连接在变频器的Modbus口上（即RJ45端口）。实训系统的外部接线如图1所示。

图1 实训系统的外部接线图

教学实施步骤

（一）提出和分析控制要求

首先向学生提出控制要求。在本系统中，要求PLC和变频器之间通过Modbus通信，实现PLC控制变频器，对系统运行状态进行监控、完成速度设定和运行状态的调整。

先选用传统的控制方法，如通过面板监控与调节参数来满足控制要求，通过分析比较发现：必须现场操作且操作复杂，监控不便；然后提出采用通信控制方法来克服其缺点，通过Modbus通信实现相同的控制要求。

（二）进行系统硬件参数设置

硬件参数设置包括PLC的端口参数设置和变频器参数的设置。通过现场教学边讲边练完成。

PLC的配置 PLC的端口配置和参数设置如图2所示。点击“添加选件”，选择“TWDNCAC485D”，在“硬件”中就会出现通信“端口2”；然后对端口1和端口2分别进行通讯参数配置。在配置通信参数时，可以选择ASCII传输模式或者RTU传输模式，使用哪种传输模式由主设备进行选择，但在同一个系统中不能混合使用两种模式。参数配置时也可提出问题，让学生清楚两种传输模式间格式的区别和适用范围。

图2 PLC的端口配置图

变频器的参数设置 为了实现PLC对ATV31的Modbus通信控制，需要在变频器上设置控制方式和通信参数，其通信参数、数据格式与PLC设置要保持一致。控制方式需要设置三个参数：CTL-LAC-〉选择参数为L3；CTL-FR1-〉选择参数为Ndb；CTL-CHCF-〉选择参数为SIN。为了建立正确的通信，还需要在变频器内设置与通信有关的站号、波特率、奇偶校验等参数，设置步骤为：CON-Add设置变频器地址，地址在1~247范围内可选；CON-tbr设置通信速率，可以设为4.8 kbps、9.6 kbps或19.2kbps；通过路径CON-tFO设置Modbus通信格式，可以选择8O1、8E1、8n1或 8n2格式。硬件参数配置完成后，根据学生掌握情况进入总线控制系统功能实施阶段。

（三）系统功能实现

要想让系统运转起来，需要在主机PLC里面下载相应的逻辑关系程序。最终通过在PLC监控程序上在线监控和修改变频器的相关参数，让学生感性认识Modbus通信的目的、通信的内容及表现形式。准备知识包括了解Modbus通讯常用的功能代码及编程格式。

准备知识1：功能代码含义。

变频器Modbus通讯通常用到的功能代码是03、06、16和43。在Modbus协议中，变频器的频率、电压、电流等参数值存放在相应的寄存器中；运行、停止、报警等开关量信息则用寄存器的位来表示。因此，PLC通过读写相应的寄存器就可以实现对变频器状态的监控和参数修改。

要想实现对变频器状态的实时监控功能，需要采用计算机或触摸屏等人机界面与PLC连接起来，并且在编写PLC程序时选择Modbus的03号功能代码，通过此代码可以将指定从站的多个寄存器值读入对应的PLC寄存器。

系统要实现通过PLC程序改变当前变频器控制的电机运行状态和运行频率等参数，需要选用Modbus的16号功能代码，通过此代码可以完成将数据写到指定的从站寄存器中，即往变频器的控制字CMD中写入控制命令和需要调整的频率。

准备知识2：解读编程格式。

读取变频器的参数程序格式如图3所示。教学中边操作边讲解，并通过投影仪将实时操作画面投影到大屏幕上，边讲解格式边现场观察通信数据改变对系统的状态影响。

图3 读取功能格式图

例如，%MW2地址中的数据16#0203含义为主设备对从站2的查询，执行功能代码03；%MW3中的值为读出变频器状态字ETA的指定地址W3201；从站的回应值放在%MW5、%MW6、% MW7地址中；配合动态数据表（如图4所示），观察返回值。

讲解完以后修改图3程序中的指定地址16#0C81，让学生观察动态数据表中数据的变换；继续修改读取的字数，结合系统运行状态观察动态数据表中数据情况。从而完成对变频器各种工作状态的实时监控，加深学生对Modbus通信格式的理解及对总线控制系统的综合认识。

图4 动态数据图表

学生练习：让学生自己去修改变频器的相关参数，观察电动机运行状态变化情况；根据学生掌握情况，也可以设置部分故障训练学生排故能力，加深对知识的理解，如图4所示，% MW7中的值是变频器状态返回值，16#0208表明变频器故障，让学生分析原因并排除故障。

学生练习完成后，由学生分组演示和讲解系统运行情况和心得。教师讲评各组的作品，提出改进意见和要求，并对本次教学项目进行知识点的归纳和总结，巩固学习知识。

在 Modbus总线项目的实施中，我们选取了直接支持Modbus协议的PLC和变频器，系统连接和编程都非常简单和直接。其目的是让学生学会使用Modbus总线进行组网和通信，在现场教学时可以根据学生反映情况进行变频器中相应参数的读取、修改、排故等练习，使得学生在学中做、做中学，加深对新知识点的理解。本教学项目通过教学实践有以下优点：（1）使用Modbus总线将已学PLC、变频器、电动机连接成一个系统，连线简单直观，系统运行目标明确，方便学生对新知识点的理解；（2）PLC采用通信方式进行变频器参数设置，也是对已学PLC、变频器的知识进行具体的应用和拓展。（3）学生通过对该次任务的资料整理和汇总，可以很好地梳理学习过程中遇见的问题并总结解决的办法。

在该项目的模块2基础上，可再通过添加触摸屏和接线盒形成PLC、触摸屏、多台变频器构成的综合控制系统，完成模块3的控制任务。模块3教学任务可以采用教师提出控制要求，学生自己搭建系统和编写程序，在规定的时间范围内完成控制任务。本项目配合积木式的柔性教学设备，可以搭接和扩展不同的总线控制系统，既可以用于分项的现场教学，也可以完成较为复杂的总线系统的综合实训。

在总线技术及应用课程教学过程中，通过采用合理的现场教学项目设计方法，可使学生对总线控制系统的构建和具体应用有清晰的认识，主动学习热情普遍提高，实践能力也明显加强，取得较好的教学效果。

[1]郭琼.现场总线技术及其应用[J].无锡职业技术学院学报，2010，（1）.

[2]黄志强，袁广亮，王立军.变频调速器实时监控及信息管理系统的设计[J].电气传动，2005，35（5）.

[3]施耐德电气公司.ATV31变频器Modbus用户手册CANopen用户手册[Z].2005.

[4]施耐德电气公司.Twido可编程序控制器软件参考手册中文V3.2[Z].2005.

[5]刘文伟，李琳，孙盛琪，董亮.基于控制网络的综合实验系统设计与应用[J].实验室研究与探索，2009，28（7）.

G712

A

1672-5727（2011）07-0087-03

郭琼（1969—），女，四川营山人，硕士，无锡职业技术学院自动控制技术系副教授，研究方向为过程控制。