郭 瓊 韓東起

（無錫職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 無錫 214121）

基于Modbus總線應用的教學設(shè)計

郭 瓊 韓東起

（無錫職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 無錫 214121）

總線控制技術(shù)是一門涉及多學科、多知識領(lǐng)域的專業(yè)課程。結(jié)合高職學生知識結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和生產(chǎn)實際，以案例帶動知識點開展學習，注重培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，掌握使用目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的現(xiàn)場總線的方法，可以縮短理論課堂教學與實際生產(chǎn)應用的距離，提高教學的針對性和實效性，培養(yǎng)和提高學生對總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和使用能力。本文主要以M odbus總線的學習內(nèi)容為例，闡述了本課程教學開發(fā)思路和實施過程。

現(xiàn)場總線；M odbus；教學設(shè)計

課程描述

電氣自動化專業(yè)是我院的一個老牌專業(yè)，始創(chuàng)于1988年，經(jīng)過多年的努力，該專業(yè)無論在辦學還是在師資建設(shè)上都取得了長足的進展。近年來隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新技術(shù)不斷應用，對教學內(nèi)容也提出了更高的要求?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）作為第五代控制系統(tǒng)，因其所具有的突出優(yōu)點，在工業(yè)企業(yè)中也迅速得到普及和應用。為適應新技術(shù)的發(fā)展，為學生今后就業(yè)或深造打下一定的基礎(chǔ)，我專業(yè)于2007年開設(shè)了《總線技術(shù)及應用》課程，該門課程是一門綜合應用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、自動控制技術(shù)的課程，也是《PLC技術(shù)及應用》、《微控制器原理及應用》、《運動控制系統(tǒng)安裝調(diào)試與運行》等課程的后續(xù)課程，課程課時為48學時，在第五學期開設(shè)。

課程內(nèi)容的選取

現(xiàn)場總線控制技術(shù)是一門強調(diào)實際應用的課程，在工業(yè)現(xiàn)場，其發(fā)展與相關(guān)的應用層出不窮。而目前現(xiàn)場總線具有不少于20種國際標準，在課程中不可能都作為講課內(nèi)容，選取合適的教學內(nèi)容，采用恰當?shù)慕虒W方法，是提高教學質(zhì)量的關(guān)鍵?；谖以簩嶋H情況，我們在教學內(nèi)容選取上遵循以下原則：（1）選用被列入國際標準和國家標準的常用現(xiàn)場總線；（2）在較常用的現(xiàn)場總線中選取與前續(xù)課程緊密相關(guān)的內(nèi)容，強調(diào)課程的關(guān)聯(lián)性和擴展性。

課程內(nèi)容主要采用項目教學法進行開發(fā)，項目與生產(chǎn)實際相結(jié)合，以便快速提高學生的崗位適應能力；教學方法相應采用演示、現(xiàn)場教學、分組討論、小組競賽等，淡理論、重實踐，提高學生的參與熱情。

根據(jù)以上原則，結(jié)合實際應用情況和我專業(yè)現(xiàn)有實訓設(shè)備以及對企業(yè)和畢業(yè)生的調(diào)研情況，精心設(shè)計和組織本課程的教學內(nèi)容，同時編寫了相應的校本教材；三菱、西門子PLC在我國的應用較為普遍，也是高職相關(guān)課程中選用最多的PLC類型，為不失一般性，在現(xiàn)場總線技術(shù)課程中以這兩種PLC為平臺，引進其相關(guān)的現(xiàn)場總線CC-Link及Profibus作為學習和實踐的教學內(nèi)容。同時，由于Modbus協(xié)議開放、應用廣泛，將其通信內(nèi)容也作為教學的重點內(nèi)容。

一般現(xiàn)場總線的應用系統(tǒng)都較為復雜，且涉及多學科的相關(guān)知識，如此繁雜的內(nèi)容如何能夠用簡捷的教學方法闡述清楚，是我們在教學過程中經(jīng)常碰到的問題。在教學設(shè)計中，我們從應用出發(fā)，在完成PLC、單片機及變頻器等課程的學習后，首先指導學生從熟悉的控制系統(tǒng)出發(fā)，引入現(xiàn)場總線控制方式，通過比較，學生很容易理解，且上手很快，學習熱情很高，而且通過具體的系統(tǒng)構(gòu)建和調(diào)試，強化了學生對基礎(chǔ)理論的理解，了解了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的全貌，同時對學生的規(guī)范操作也起到強化訓練的作用。

隨著專業(yè)建設(shè)的深入，我們與多家企業(yè)合作，進行工學結(jié)合和頂崗實習，初步形成了校外實踐基地的建設(shè)，部分實踐基地也可作為很好的現(xiàn)場總線課程現(xiàn)場教學的場所。同時，為滿足專業(yè)課程的教學需要，我們對原先單一功能的實驗（訓）室進行了改造，成為集授課區(qū)、討論區(qū)、訓練區(qū)和信息區(qū)于一體的新型教室。通過教學環(huán)境的改善，更好地滿足了“做中學、學中做”的教學要求。下面以Modbus總線的學習內(nèi)容為例，介紹本課程教學開發(fā)思路和實施過程。

Modbus總線項目的教學內(nèi)容分為三個模塊：（1）Modbus總線的認識。（2）Modbus總線在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應用。（3）基于Modbus總線的供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。三個模塊連貫性很強，前一個模塊是后一個模塊的基礎(chǔ)，后一個模塊是前一個模塊的應用和深入。通過該項目的學習，學生可以學會Modbus的協(xié)議規(guī)范、常用幾種功能碼的格式和在實際系統(tǒng)中的使用方法。由于該課程綜合性和應用性非常強，每一種總線都要搭建出系統(tǒng)，如何才能在有限的時間內(nèi)將龐大的系統(tǒng)搭建并運行起來成為關(guān)鍵。我們采用搭積木的形式，由簡到繁，逐層遞進，硬件設(shè)備從少到多，系統(tǒng)的功能從簡單到復雜，從單一功能的實現(xiàn)到實際應用系統(tǒng)的調(diào)試與運行。這樣，不但可以讓學生了解Modbus技術(shù)內(nèi)容，而且可以讓學生通過實踐環(huán)節(jié)將已學或新學的知識融會貫通。

教學對象的選擇及系統(tǒng)配置

以模塊2的實訓內(nèi)容來介紹具體實施過程。該模塊的主要任務是通過采用Modbus總線技術(shù)對變頻器的參數(shù)進行修改和監(jiān)控，從而實現(xiàn)遠程改變和調(diào)整電動機實際運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速，并對電動機實際運行狀態(tài)進行監(jiān)控和故障報警。教學安排在變頻調(diào)速實訓室完成，該實訓室有施耐德Twido系列PLC、ATV31變頻器，這兩種設(shè)備均集成有Modbus通訊協(xié)議，可以滿足實訓條件的基本要求。

（一）選擇的意義

變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和明顯的節(jié)電效果，廣泛應用于異步電動機調(diào)速系統(tǒng)和風機泵類負載的節(jié)能改造項目中。采用Modbus通訊方式控制變頻器是一種比較新的方法，同面板設(shè)置相比可以避免誤操作和在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下工作；同外部端子工作方式相比接線更為簡單，遠距離傳輸實現(xiàn)方便，可以更好地發(fā)揮變頻器的功能。如可以使PLC以通訊的方式獲取變頻器當前的運行狀態(tài)，可以進行設(shè)備的遠距離操作和信息的雙向交換，工作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)就能準確地把握現(xiàn)場變頻設(shè)備的運行狀態(tài)并隨時進行控制操作。這種控制方式尤其適用于小型控制系統(tǒng)或單機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)低成本、高性能的主從式計算機網(wǎng)絡監(jiān)控。

（二）系統(tǒng)配置

Twido系列的PLC內(nèi)部集成有Modbus通訊協(xié)議，是施耐德電氣公司的一個功能較強的PLC產(chǎn)品，在ATV31型號變頻器中同樣集成有Modbus通訊協(xié)議，通過借助這兩款產(chǎn)品內(nèi)置的Modbus功能就可實現(xiàn)比傳統(tǒng)方式更為靈活的控制功能，而無需添加模擬量輸出模塊或額外增加PLC的離散量輸出點。

在系統(tǒng)配置時，將PLC作為主站，變頻器設(shè)為從站，主站通過站號區(qū)分不同的從站，從站在收到主站的讀/寫命令后發(fā)送數(shù)據(jù)。

TWDLCAA40DRF PLC為一體型PLC，有兩個通信口，端口1用于連接編程電纜，端口2用于連接變頻器的Modbus端口；變頻器型號為ATV31H075N4A，該變頻器頻率調(diào)整可以采用面板設(shè)置、外接端子排控制和總線控制方式。采用Modbus總線連接PLC與變頻器，只需要一根通訊電纜，將八針圓頭一端連接到PLC的通訊端口2上，電纜另一端為RJ45連接頭，連接在變頻器的Modbus口上（即RJ45端口）。實訓系統(tǒng)的外部接線如圖1所示。

圖1 實訓系統(tǒng)的外部接線圖

教學實施步驟

（一）提出和分析控制要求

首先向?qū)W生提出控制要求。在本系統(tǒng)中，要求PLC和變頻器之間通過Modbus通信，實現(xiàn)PLC控制變頻器，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控、完成速度設(shè)定和運行狀態(tài)的調(diào)整。

先選用傳統(tǒng)的控制方法，如通過面板監(jiān)控與調(diào)節(jié)參數(shù)來滿足控制要求，通過分析比較發(fā)現(xiàn)：必須現(xiàn)場操作且操作復雜，監(jiān)控不便；然后提出采用通信控制方法來克服其缺點，通過Modbus通信實現(xiàn)相同的控制要求。

（二）進行系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)置

硬件參數(shù)設(shè)置包括PLC的端口參數(shù)設(shè)置和變頻器參數(shù)的設(shè)置。通過現(xiàn)場教學邊講邊練完成。

PLC的配置 PLC的端口配置和參數(shù)設(shè)置如圖2所示。點擊“添加選件”，選擇“TWDNCAC485D”，在“硬件”中就會出現(xiàn)通信“端口2”；然后對端口1和端口2分別進行通訊參數(shù)配置。在配置通信參數(shù)時，可以選擇ASCII傳輸模式或者RTU傳輸模式，使用哪種傳輸模式由主設(shè)備進行選擇，但在同一個系統(tǒng)中不能混合使用兩種模式。參數(shù)配置時也可提出問題，讓學生清楚兩種傳輸模式間格式的區(qū)別和適用范圍。

圖2 PLC的端口配置圖

變頻器的參數(shù)設(shè)置 為了實現(xiàn)PLC對ATV31的Modbus通信控制，需要在變頻器上設(shè)置控制方式和通信參數(shù)，其通信參數(shù)、數(shù)據(jù)格式與PLC設(shè)置要保持一致?？刂品绞叫枰O(shè)置三個參數(shù)：CTL-LAC-〉選擇參數(shù)為L3；CTL-FR1-〉選擇參數(shù)為Ndb；CTL-CHCF-〉選擇參數(shù)為SIN。為了建立正確的通信，還需要在變頻器內(nèi)設(shè)置與通信有關(guān)的站號、波特率、奇偶校驗等參數(shù)，設(shè)置步驟為：CON-Add設(shè)置變頻器地址，地址在1~247范圍內(nèi)可選；CON-tbr設(shè)置通信速率，可以設(shè)為4.8 kbps、9.6 kbps或19.2kbps；通過路徑CON-tFO設(shè)置Modbus通信格式，可以選擇8O1、8E1、8n1或 8n2格式。硬件參數(shù)配置完成后，根據(jù)學生掌握情況進入總線控制系統(tǒng)功能實施階段。

（三）系統(tǒng)功能實現(xiàn)

要想讓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來，需要在主機PLC里面下載相應的邏輯關(guān)系程序。最終通過在PLC監(jiān)控程序上在線監(jiān)控和修改變頻器的相關(guān)參數(shù)，讓學生感性認識Modbus通信的目的、通信的內(nèi)容及表現(xiàn)形式。準備知識包括了解Modbus通訊常用的功能代碼及編程格式。

準備知識1：功能代碼含義。

變頻器Modbus通訊通常用到的功能代碼是03、06、16和43。在Modbus協(xié)議中，變頻器的頻率、電壓、電流等參數(shù)值存放在相應的寄存器中；運行、停止、報警等開關(guān)量信息則用寄存器的位來表示。因此，PLC通過讀寫相應的寄存器就可以實現(xiàn)對變頻器狀態(tài)的監(jiān)控和參數(shù)修改。

要想實現(xiàn)對變頻器狀態(tài)的實時監(jiān)控功能，需要采用計算機或觸摸屏等人機界面與PLC連接起來，并且在編寫PLC程序時選擇Modbus的03號功能代碼，通過此代碼可以將指定從站的多個寄存器值讀入對應的PLC寄存器。

系統(tǒng)要實現(xiàn)通過PLC程序改變當前變頻器控制的電機運行狀態(tài)和運行頻率等參數(shù)，需要選用Modbus的16號功能代碼，通過此代碼可以完成將數(shù)據(jù)寫到指定的從站寄存器中，即往變頻器的控制字CMD中寫入控制命令和需要調(diào)整的頻率。

準備知識2：解讀編程格式。

讀取變頻器的參數(shù)程序格式如圖3所示。教學中邊操作邊講解，并通過投影儀將實時操作畫面投影到大屏幕上，邊講解格式邊現(xiàn)場觀察通信數(shù)據(jù)改變對系統(tǒng)的狀態(tài)影響。

圖3 讀取功能格式圖

例如，%MW2地址中的數(shù)據(jù)16#0203含義為主設(shè)備對從站2的查詢，執(zhí)行功能代碼03；%MW3中的值為讀出變頻器狀態(tài)字ETA的指定地址W3201；從站的回應值放在%MW5、%MW6、% MW7地址中；配合動態(tài)數(shù)據(jù)表（如圖4所示），觀察返回值。

講解完以后修改圖3程序中的指定地址16#0C81，讓學生觀察動態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的變換；繼續(xù)修改讀取的字數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)運行狀態(tài)觀察動態(tài)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)情況。從而完成對變頻器各種工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，加深學生對Modbus通信格式的理解及對總線控制系統(tǒng)的綜合認識。

圖4 動態(tài)數(shù)據(jù)圖表

學生練習：讓學生自己去修改變頻器的相關(guān)參數(shù)，觀察電動機運行狀態(tài)變化情況；根據(jù)學生掌握情況，也可以設(shè)置部分故障訓練學生排故能力，加深對知識的理解，如圖4所示，% MW7中的值是變頻器狀態(tài)返回值，16#0208表明變頻器故障，讓學生分析原因并排除故障。

學生練習完成后，由學生分組演示和講解系統(tǒng)運行情況和心得。教師講評各組的作品，提出改進意見和要求，并對本次教學項目進行知識點的歸納和總結(jié)，鞏固學習知識。

在 Modbus總線項目的實施中，我們選取了直接支持Modbus協(xié)議的PLC和變頻器，系統(tǒng)連接和編程都非常簡單和直接。其目的是讓學生學會使用Modbus總線進行組網(wǎng)和通信，在現(xiàn)場教學時可以根據(jù)學生反映情況進行變頻器中相應參數(shù)的讀取、修改、排故等練習，使得學生在學中做、做中學，加深對新知識點的理解。本教學項目通過教學實踐有以下優(yōu)點：（1）使用Modbus總線將已學PLC、變頻器、電動機連接成一個系統(tǒng)，連線簡單直觀，系統(tǒng)運行目標明確，方便學生對新知識點的理解；（2）PLC采用通信方式進行變頻器參數(shù)設(shè)置，也是對已學PLC、變頻器的知識進行具體的應用和拓展。（3）學生通過對該次任務的資料整理和匯總，可以很好地梳理學習過程中遇見的問題并總結(jié)解決的辦法。

在該項目的模塊2基礎(chǔ)上，可再通過添加觸摸屏和接線盒形成PLC、觸摸屏、多臺變頻器構(gòu)成的綜合控制系統(tǒng)，完成模塊3的控制任務。模塊3教學任務可以采用教師提出控制要求，學生自己搭建系統(tǒng)和編寫程序，在規(guī)定的時間范圍內(nèi)完成控制任務。本項目配合積木式的柔性教學設(shè)備，可以搭接和擴展不同的總線控制系統(tǒng)，既可以用于分項的現(xiàn)場教學，也可以完成較為復雜的總線系統(tǒng)的綜合實訓。

在總線技術(shù)及應用課程教學過程中，通過采用合理的現(xiàn)場教學項目設(shè)計方法，可使學生對總線控制系統(tǒng)的構(gòu)建和具體應用有清晰的認識，主動學習熱情普遍提高，實踐能力也明顯加強，取得較好的教學效果。

[1]郭瓊.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[J].無錫職業(yè)技術(shù)學院學報，2010，（1）.

[2]黃志強，袁廣亮，王立軍.變頻調(diào)速器實時監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].電氣傳動，2005，35（5）.

[3]施耐德電氣公司.ATV31變頻器Modbus用戶手冊CANopen用戶手冊[Z].2005.

[4]施耐德電氣公司.Twido可編程序控制器軟件參考手冊中文V3.2[Z].2005.

[5]劉文偉，李琳，孫盛琪，董亮.基于控制網(wǎng)絡的綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].實驗室研究與探索，2009，28（7）.

G712

A

1672-5727（2011）07-0087-03

郭瓊（1969—），女，四川營山人，碩士，無錫職業(yè)技術(shù)學院自動控制技術(shù)系副教授，研究方向為過程控制。