基于Modbus-RTU通讯的工业触摸屏与变频器控制系统

徐昌红 余宏翔

海申机电总厂（象山）（浙江宁波 315718）

自动化控制系统在工业控制领域应用十分广泛，已经普及到生产和生活的各个方面。多种控制模式和手段可以实现设备的自动化运转，常规的设计方法是通过触摸屏（指令，HMI）+可编程逻辑控制器（PLC）+变频器（控制）+辅助继电器+设备等一系列器件来完成自动化控制。这种控制模式的工作原理是：通过触摸屏人机界面来发送指令、设置参数、显示数据、监控设备状态，以曲线动画等形式描绘自动化控制过程和参数；利用PLC编程来实现逻辑和顺序控制；通过变频器和辅助继电器来控制现场设备的实际运行。这种常规控制模式的缺点是：PLC抗干扰能力差，尤其是受变频器发出的高次谐波的干扰尤为严重；变频器运行数据采集受PLC模块的限制；采用点对点连接的方式，响应速度和精度差；设计线路和接线复杂、PLC及其模块成本高；等等。为解决长期困扰工控行业的变频器干扰问题，进一步提高控制响应速度和精度，降低成本，实现更简洁的控制，现介绍一种控制模式，省掉PLC和各种模块、继电器等辅助器件，用工业触摸屏直接通过Modbus-RTU通讯方式来控制和监控变频器的运行。

1 控制系统简述

1.1 系统逻辑工艺

1.1.1 常规控制模式（HMI+PLC+变频器）

常规控制模式采用HMI+PLC+变频器控制，触摸屏和PLC建立通讯后，通过PLC及其辅助模块（I/O模块和AI/AO模块）以点对点硬线连接的方式控制各类变频器的运行和给定运行频率等，见图1。该控制模式线路复杂，PLC抗干扰能力差，尤其是受变频器发出的高次谐波的干扰尤为严重。

图1 常规控制（HMI+PLC+变频器）逻辑模式

1.1.2 全新的控制模式（HMI+变频器）

为解决常规控制模式的种种缺陷，提高响应速度、采集较多的运行数据、降低成本、实现更简洁的控制，用工业触摸屏通过Modbus-RTU通讯方式，配合宏语言（类似于VB Script语言的格式）编程，来代替PLC实现简单的逻辑和顺序控制。该控制模式见图2，触摸屏配合变频器采用通讯方式读取参数并进行控制，能使控制系统更加简洁、抗干扰能力增强，从而使其功能更强大。

图2 HMI+变频器控制逻辑模式

1.2 新控制系统实现的方法及注意事项

1.2.1 触摸屏和变频器的连线

为顺利实现参数读取和控制功能，触摸屏和变频器必须具备以下2个条件：

（1）工业触摸屏具备RS-485通讯端口，符合标准Modbus-RTU通讯协议；

（2）变频器支持标准的Modbus-RTU通讯协议。

1.2.2 通讯参数设置

（1）变频器参数设置

变频器设置参数包括：标准Modbus-RTU协议、站号、波特率、奇偶校验、停止位等通讯参数；控制信号和给定运行参数的来源、地址的对应关系等。

（2）触摸屏通讯端口的设置

触摸屏端口的站号、波特率、奇偶校验和停止位等通讯参数必须与变频器参数设置一致，否则无法进行通讯。

1.2.3 变频器功能码与触摸屏通讯地址对应关系

触摸屏和变频器采用Modbus-RTU标准的通讯协议。Modbus协议在一根通讯线上使用主从应答式连接（半双工），这意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。Modbus协议详细定义了校验码、数据序列等，这些都是特定数据交换的必要内容。

Modbus桢结构组成：地址、功能码、开始地址、数据长度、CRC检验码。在地址对应关系上要严格遵守Modbus所规定的桢结构。

例如：发出的【02 06 08 99 02 58 CRC校验码】中：02表示站号为2；06表示预置单寄存器，写数据到执行机构的单个保持寄存器（16位字）；08 99表示开始地址，16#0899转化成10#2201；02 58为数据长度，16#0258转化成10#600；CRC为校验码。

1.2.4 触摸屏对变频器的程序化控制（宏语言编程）

为了实现复杂、精准的控制功能，采用触摸屏自带的宏指令（脚本程序）来进行编程，触摸屏的宏指令提供了应用程序之外附加的所需功能，通过宏语句编制的逻辑运算可以实现某些特定功能的函数运算，它可以承担譬如较为复杂的运算、字符串的处理、使用者与工程设备之间的交流等功能。

通过一段宏语言来实现触摸屏与变频器设备之间读取数据和计算功能的案例如下：

2 实际使用结果与讨论

为避免常规控制模式的弊端而采用了上述新逻辑控制模式，通过实际应用和现场测试，发现新控制模式具有以下优点：（1）大大提高了所控设备的自动化程度，缩短了车间部门的生产周期，简化了设计图纸，减少了接线的工作量；（2）采集的数据多，可满足对精准响应和多数据采集的要求，且抗干扰能力强，显著提高了自动化精度；（3）节约了成本，可以省略PLC及其模块以及大量的辅助器件，大大降低了电气成本；（4）现场操作人员无需专业知识，操作简便、直观，便于用户操作和监控，界面友好；（5）通过触摸屏内部宏语句编制的逻辑运算，可以实现PLC才能实现的某些特定功能的函数运算；等等。

3 结语

采用这种全新的触摸屏，通过Modbus通讯协议直接控制变频器的控制系统，通过宏指令编程扩展对变频器进行简单的程序化控制，除了能降低成本、增加读取运行参数的数据量、减少高达40%的接线、缩短现场设备的调试时间、降低维护费用外，还解决了长期困扰工控行业的变频器干扰问题，并使得操作方便、直观。

该控制系统已成功应用在海申机电总厂（象山）多个离心机项目上，用户长期应用实践的检验表明，这种控制模式使得电控系统稳定性良好，应用前景广阔。