ABB變頻器與三菱PLC間的Modbus-RTU協(xié)議通信

1、0引言 ABB變頻器與三菱PLC間的Modbus-RTU協(xié)議通信Modbus協(xié)議是由美國MODICON（莫迪康）公司于20世紀(jì)80年代末開發(fā)，有Modbus-RTU、Modbus-ASCII和Modbus-TCP 3種通信方式，其中Modbus-RTU、Modbus-ASCII使用RS-232、RS-422和RS-485串行接口進行傳輸。Modbus協(xié)議具有良好兼容性和開放性，為各產(chǎn)商生產(chǎn)的工業(yè)控制器（如工控機、PLC、變頻器和各種智能儀器儀表等）所采用，用于控制器相互之間、控制器（經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）與其它設(shè)備之間的通信。常用的變頻器品牌如ABB、三菱、海利普、東芝、LS、臺達和安邦信等都兼容Modbu

2、s-RTU通信協(xié)議，這為變頻器使用功能的擴展提供了空間，也為以電動機為重要執(zhí)行元件的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了有力支持。1 Modbus-RTU協(xié)議信息幀1.1Modbus-RTU協(xié)議信息幀格式Modbus-RTU協(xié)議常用功能信息幀格式如下：Modbus協(xié)議通1 / 10信采用主從通信技術(shù)，允許主機與一臺或多臺從機通信。每次通信均由主機通過信息幀發(fā)出請求信息，從機收到正確無誤的請求信息后，通過響應(yīng)信息幀返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息以響應(yīng)主機請求。信息幀是主機與從機之間進行Modbus-RTU協(xié)議通信的基礎(chǔ)，由地址信息、功能信息、數(shù)據(jù)信息和錯誤校驗信息4個部分按一定順序組成，各信息數(shù)據(jù)分別

3、存放在8位十六進制字節(jié)中。從機地址是從機唯一的通信地址，可設(shè)定值為1247，0為主機對全部從機進行廣播，從機不響應(yīng)。功能代碼是主機對從機的要求，從機根據(jù)要求執(zhí)行相關(guān)動作。Modbus-RTU協(xié)議支持技術(shù)規(guī)范中規(guī)定從零開始尋址空間，所以在設(shè)定從機Modbus-RTU協(xié)議分配的保持寄存器開始地址時，實際的地址是設(shè)定開始地址的數(shù)值加上1。1.2出錯校驗CRC碼Modbus-RTU協(xié)議為保證主機和從機之間的通信信息完整正確，在信息幀中加入出錯校驗CRC碼。出錯校驗CRC碼使用16位循環(huán)冗余的方法，占用2個字節(jié)，包含了一個16位的二進制值。CRC值由主機計算出來附加到信息幀上，從機在接收信息時重新計算C

4、RC值，然后與接收到的CRC值進行比較，如果這兩個值不相等，說明信息幀有錯誤。在自動控制系統(tǒng)中，各種通信信息在傳輸中經(jīng)常受到電噪聲、電磁干擾以及其它干擾，數(shù)據(jù)和控制指令可能會發(fā)生一些改變，使控制系統(tǒng)產(chǎn)生異常。Modbus-RTU通信協(xié)議在信息幀中加入出錯校驗CRC碼，能夠保證從機不去響應(yīng)或執(zhí)行在傳輸過程中發(fā)生改變的數(shù)據(jù)和指令信息，大大提高了系統(tǒng)的安全性和效率。生成16位循環(huán)冗余出錯校驗CRC碼的步驟如下：（1）設(shè)置一個值為H0FFFF（即全部位均為1）的16位寄存器，稱之為CRC寄存器。（2）把第一個8位字節(jié)與CRC寄存器低位進行異或運算。將運算結(jié)果儲存在CRC寄存器中。（3）把CRC寄存器中

5、的位向右（低位方向）移一位，最高位用0填補，檢查最低位的值。（4）如果最低位的值是0，則重復(fù)第（3）步；如果最低位的值是1，則將CRC寄存器與多項式HA001（1010000000000001）進行異或運算。（5）重復(fù)上述第（3）步和第（4）步，直至CRC寄存器共向右移8位，這時一個8位字節(jié)的數(shù)據(jù)處理完成。（6）重復(fù)上述第（2）步到第（5）步，進行下一個8位字節(jié)的處理。（7）重復(fù)上述第（2）步到第（6）步，直到將信息幀所有字節(jié)均與這個CRC寄存器進行過異或運算。（8）最后這個16位CRC寄存器中的值即為2個字節(jié)CRC校驗碼。三菱FX1N系列PLC生成CRC碼的程序如圖1所示。圖1生成出錯校驗C

6、RC碼的PLC程序2 Modbus協(xié)議通信系統(tǒng)組成Modbus-RTU協(xié)議通信系統(tǒng)組成如圖2所示，由ABB ACS510系列變頻器、三菱FX1N系列PLC和三菱FX1N-485-BD通信板組成。PLC通過RS-485通信板用屏蔽雙絞線連接到變頻器內(nèi)置RS-485接口上，構(gòu)成Modbus-RTU協(xié)議通信的傳輸通道。根據(jù)控制系統(tǒng)的作用和目的，在變頻器上設(shè)定好Modbus-RTU協(xié)議通信參數(shù)和其它相關(guān)參數(shù)，并向PLC中輸入已編寫好的包含Modbus-RTU協(xié)議通信程序在內(nèi)的控制程序后，PLC和變頻器之間就可以進行Modbus-RTU協(xié)議通信。Modbus-RTU協(xié)議通信使用專用的信息幀，在主機PLC

7、與從機變頻器之間進行串行通信。PLC發(fā)出查詢信息幀，變頻器接收到正確的查詢信息后向PLC返回發(fā)送響應(yīng)信息幀，并執(zhí)行查詢信息幀所要求的功能。當(dāng)變頻器接收到異常的查詢信息時，就返回錯誤響應(yīng)信息幀或者不返回響應(yīng)信息幀，同時不執(zhí)行查詢信息要求的功能。信息幀具有讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的功能，使PLC不僅能夠?qū)懭牖蜃x取變頻器的參數(shù)，還可以對變頻器發(fā)出控制指令并確認其運行狀態(tài)，這樣PLC就可以全方位監(jiān)控變頻器的運行。圖2變頻器與PLC間Modbus協(xié)議通信組成3 ABB變頻器通信參數(shù)設(shè)置為確保ABB變頻器與PLC之間的Modbus-RTU協(xié)議通信正常暢通，需要對變頻器的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，如表1所示。ABB AC

8、S510系列變頻器需要設(shè)置與Modbus-RTU協(xié)議通信相關(guān)參數(shù)組：Group98可選件，激活Modbus-RTU協(xié)議RS-485串行傳輸通信；Group53內(nèi)置通信協(xié)議，定義內(nèi)置現(xiàn)場總線（EFB）通信協(xié)議的配置；Group16系統(tǒng)控制，定義系列系統(tǒng)控制參數(shù)（如鎖定、復(fù)位和使能控制等）；Group14繼電器輸出，設(shè)定每個輸出繼電器動作條件；Group13模擬輸入，設(shè)定模擬輸入的限幅值和濾波時間；Group11給定選擇，選擇、設(shè)定外部給定1、2的來源和性質(zhì)；Group10輸入指令，定義控制起動、停止和方向的外部控制源，電機方向鎖定或允許電機正反轉(zhuǎn)。其它變頻器參數(shù)根據(jù)電機的工作環(huán)境、使用用途等因素

9、進行設(shè)定。表1變頻器Modbus-RTU協(xié)議通信參數(shù)設(shè)定值4 PLC程序設(shè)計三菱FX系列PLC通過RS-485串行通信傳輸方式與變頻器進行Modbus-RTU協(xié)議通信，RS串行數(shù)據(jù)傳送功能指令是FX系列PLC進行發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)的功能指令。在RS功能指令驅(qū)動前，要對RS功能指令通信數(shù)據(jù)傳送格式的特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120進行設(shè)定。設(shè)定值是與ABB ACS510系列變頻器的通信參數(shù)設(shè)定相對應(yīng)的H0C99，即RS-485接口，無起始符和終止符，傳送速度19200bps，2位停止位，無奇偶性，數(shù)據(jù)長度為8位。Modbus-RTU協(xié)議通信信息幀中的信息和數(shù)據(jù)是以8位字節(jié)形式傳送的，要使PLC中的8位處

10、理模式特殊輔助繼電器M8161保持常通。每次用RS功能指令發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，要用脈沖指令置位串行通信發(fā)送標(biāo)志特殊輔助繼電器M8122，發(fā)送結(jié)束后M8122將自動復(fù)位。在串行通信接收完成標(biāo)志特殊輔助繼電器M8123觸點動作前，先要將RS功能指令接收的數(shù)據(jù)傳送到其它的PLC數(shù)據(jù)寄存器中，再對接收完成標(biāo)志M8122進行復(fù)位。PLC通過RS功能指令接收到從變頻器返回來的數(shù)據(jù)，分別存放在高、低位數(shù)據(jù)寄存器中，因此要對接收到的數(shù)據(jù)進行合成處理，并將其傳送到另外的數(shù)據(jù)寄存器中存放。ABB ACS系列變頻器還支持H17（或者23）讀/寫多個保持寄存器功能碼指令，即由H3（或者3）讀保持寄存器功能碼指令和H10（或者16）寫多個保持寄存器功能碼指令合成的一個復(fù)合功能碼指令。在編寫與ABB變頻器的Modbus-RTU協(xié)議通信程序時，采用H17（或者23）讀/寫多個保持寄存器功能碼指令，可以大大簡化通信程序，提高編程效率。5結(jié)語變頻器與PLC之間的Modbus-RTU協(xié)議通信，改變了以往變頻器單純接受PLC發(fā)出的開關(guān)指令和模擬信號的模式，使變頻器幾乎所有輸入控制信息和數(shù)據(jù)均可來自現(xiàn)場總線。同時，變頻器根據(jù)PLC的要求，將當(dāng)前運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)傳回給PLC，并通過PLC上傳到自動控制系統(tǒng)中的顯示終端、上位機，或者由PLC通過網(wǎng)絡(luò)上傳到中央控制系統(tǒng)。這