电机智能监测系统的设计 毕业设计论文.doc

1 电机智能监测系统的设计 摘要摘要：本文设计与开发了电机智能监测系统。本系统上位机使用“组态王”软件进行监 控，下位机使用电机智能综合保护器，二者采用 rs485 转 rs232 通讯方式，以 modbus 通讯协议 rtu 报文传输格式进行通讯。针对三相异步电动机的过载、断相、 过压、欠压等故障的特性，通过单片机的综合处理实现保护，实现了电动机的实时监 测与有效保护。不仅可以提高工厂自动化和机电设备管理水平，同时对机电设备的工 况在线监测，及时提示设备故障及具体信息，统计设备运行时间及能耗，提示管理人 员对设备进行维护、管理，获取设备能耗状况，从而降低设备事故发生率，延长电机 设备使用寿命，保障工厂正常生产。 关键词：电机智能保护器；在线监测；组态王；modbus rtu；rs485 the design of intelligent motor monitoring system abstract: in this paper the design and development of intelligent motor monitoring system. the host computer using the “configuration“ software to monitorthe lower machine using the electrical machinery intelligence protection device, between the two rs485 to rs232 communication method, rtu message transmit format of communicate with in order to modbus communication protocol. microcontroller integrated treatment for three-phase asynchronous motor overload, phase failure, over voltage, under voltage and other fault characteristics, protection, real-time monitoring and effective protection of the motor. can not only improve the management level of factory automation, and mechanical and electrical equipment, at the same time-line monitoring of the conditions of the electrical and mechanical equipment in a timely manner to prompt the equipment failure and specific information, statistics, equipment run time and power consumption, suggesting that the management personnel of the equipment maintenance, management, access to equipment can consumption conditions, thereby reducing equipment accident rate, extend the life of the electrical equipment to protect the normal production of the factory. 2 key words: intelligent motor protective device; on-line monitoring; king view; modbus rtu; rs485 3 目 录 摘要.1 1 引言.5 1.1 课题提出的依据和意义5 1.2 针对工厂电机的工况监测和故障诊断系统5 2 电机智能监测系统设计框架5 2.1 本课题的主要任务5 2.2 本课题的主要内容6 2.2.1 电机智能监控系统原理图.6 2.2.2 电机智能监测系统设计原理.7 3 电机智能监测系统硬件系统设计7 3.1 电机智能综合保护器介绍.7 3.1.1 主要特点及可实现功能.7 3.1.2 主要技术指标.8 3.1.3 单片机的选择.8 3.1.4 仪表面板设计.9 3.1.5 仪表参数设置.10 3.2 仪表与电机的接线方式.10 4 仪表与上位机的通信设计.12 4.1 modbus 协议简介 .12 4.1.1 modbus 通讯协议特点 .13 4.1.2 modbus 通信协议在网络上的传输 .13 4.1.3 modbus 的传输模式 .14 4.1.4 modbus 的数据校验方式 .16 4.1.5 错误检测方法.17 4.2 modbus 协议实现的通讯方式的设计 18 4.2.1 rs-485 串行标准接口18 4.2.2 rs-485 转 rs-232 转换接口设计19 4.3 电机智能综合保护器的 modbus-rtu 通讯协议20 4 5 上位机及组态设计22 5.1 上位机选择22 5.2 人机界面设计22 5.2.1.组态王主要参数设置23 5.2.2 组态界面设计.24 5.3 上位机仿真试验26 6 结束语.30 总结.30 参考文献.31 5 1 引言 1.1 课题提出的依据和意义 随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高，电能的应用和发展越来越具有重 要的位置。作为电能转化为机械能的重要工具，电动机在人们日常生活中也越来越重 要。三相交流电动机正朝着功率与体积之比越来越大的方向发展，一些外形尺寸小、 效率高、功率大的电动机陆续出现。为了安全可靠地运行这些电机，对电动机的保护 系统提出了越来越高的要求。电动机保护系统必须正确无误地保护电动机，使电动机 在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机损坏事故的发生。在一些大型工厂的自 动控制系统中，还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。同时大型机电设备多为 高能耗设备，在提倡节能减排的背景下，如何有效降低工厂能耗已成为工厂可持续发 展的重要因素，对机电设备能耗的监督和管理也显得尤为重要。为了满足这些要求， 本设计将介绍一种新型的电动机综合保护与监控装置。 本设计所开发的电动机综合保护与监控装置，可实现对电动机的保护与监控的自 动化，是电动机保护系统的发展趋势。它的制成可对电动机进行准确保护和监控，即 可使电动机的过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧毁事故的发生，对国民经 济的发展具有重要的意义。 1.2 针对工厂电机的工况监测和故障诊断系统 通过对智能保护技术进行研究，在理论上研究电动机的保护原理，针对三相异步 电动机的过载、断相、过压、欠压等故障的特性，通过单片机的综合处理实现保护， 采用模拟、数字相结合的办法。根据三相异步电动机的保护原理，本文设计了以单片 机为核心的智能型电机综合保护器的硬件系统和以“组态王”软件为主的上位机监测系 统，并利用 modbus 通讯协议 rtu 报文传输格式进行二者通讯，实现了机电设备工作 状况的实时在线监测与有效保护，不仅可以提高工厂自动化和机电设备管理水平，同 时对机电设备的工况在线监测，及时提示设备故障及具体信息，统计设备运行时间及 能耗，提示管理人员对设备进行维护、管理，获取设备能耗状况，从而降低设备事故 发生率，延长电机设备使用寿命，保障工厂正常生产。 2 电机智能监测系统设计框架 2.1 本课题的主要任务 6 本课题的主要任务是实现对电动机的综合保护和状态监控。具有对交流电机短路、 缺相、堵转、欠压、三相电流不平衡、接地、漏电、过载、反序的保护功能，可对电 机三相电流、电压、有功、无功、功率因数的测量显示、电度计量及显示。 电动机的过载保护是通过设置电动机的热时间常数建立相应的数学模型模拟电动 机的发热和散热过程来实现的。过压和欠压保护是用一位拨码开关来设置其动作值， 当电网电压超出其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压和欠压保护动作。漏电 保护是按照漏电电流与漏电保护动作时间的反时限关系设计的。堵转和起动超时保护 是通过拨码开关设置起动电流和起动时间来实现的。而短路保护是电动机线电流达到 短路保护动作值后采取瞬时动作来完成的。缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或线 电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后切除电动机来实现的。 本设计对电动机的状态监控主要实现以下功能： 1）上位机对电机保护性报警及工况监测，监测各个机电设备的运行工况，在线了 解设备运行信息，及时发现并处理设备异常情况，避免设备亚健康运行； 2）电机保护监测及故障查询：采用电机综合保护监控器实现对电机运行中出现的 过载、失衡、缺相、反序、漏电、欠压等故障进行保护和报警。同时现场或上位机可 随时查询最新 18 条电机故障记录及每条记录下的电机故障时参数，包括：故障代码、 故障时三相电流、电压、故障电流与额定电流的比值、故障时刻。上位工况监测：上 位机可显示监测电机运行电压、电流、单相及三相功率计量（有功、无功、功率因数） 、 电机设备累计运行时间、电机单次运行时间和电机运行次数等参数； 3）电机及设备定期维护提示： 将电机设备累计运行时间、电机单次运行时间和电机运行次数等参数作为电机定 期维护的参照, 提示工作人员对设备进行维护和保养；同时工作人员也可手动查询各个 设备在线数据，对设备运行状况做出预判后进行维护这样不仅可以保障生产，降低机 电设备的事故发生率，而且还能延长机电设备的使用寿命； 4）电耗节能管理 通过智能仪表采集设备电能消耗值并通过上位组态界面显示机电设备电能消耗情 况，判断设备电能使用状况，对电耗合理管理。 2.2 本课题的主要内容 2.2.1 电机智能监控系统原理图 7 电机智能综合 保护器 1 电机智能综合 保护器 2 电机智能综合 保护器 3 电机 1电机 2电机 3 上位机（组态王） rs485/232 转换器 rs232 rs485rs485 接口 modbus 通讯协议 图图 1 系统结构框图系统结构框图 2.2.2 电机智能监测系统设计原理 硬件方面：下位机设计使用以单片机为核心的电机智能综合保护器，对电机工作 信号和数据进行采集，通过 a/d 转换后进入智能仪表的单片机,通过其进行数据判断和 故障诊断，处理后的结果可在其 led 面板上显示，由于其采用 modbus 通讯协议，所 有的数据可以通过 modbus 通讯协议的 rtu 报文传输模式，rs-485 通讯方式与上位机 连接，上位机采用北京亚控公司的“组态王软件”，它具有适应性强、开放性好、易于 扩展、经济、开发周期短等优点。这样就实现了工作人员在调度室就能实时在线监控 工厂现场的电机运行状况，及时对工况进行判断和处理，提高了工作效率，降低了事 故发生率，保障工厂正常运转。 3 电机智能监测系统硬件系统设计 3.1 电机智能综合保护器介绍 3.1.1 主要特点及可实现功能 1) 集保护和测量于一体：具有对交流电机短路、缺相、堵转、欠压、三相电流不 平衡、接地、漏电、过载、反序保护功能，可对电机三相电流、电压、有功、 无功、功率因数的测量显示、电度计量及显示； 2) 运行时间累计功能：方便用户定期检修、维护电机； 8 3) 通讯方式：采用rs485通讯方式，rs485标准接口，结构简单、价格低廉、通 讯距离和数据传输速率适当，方便与各种监控监测系统联网。实现大范围、甚 至跨地域的电机运行状态和电力综合监控系统，通讯协议翻涌工业标准modbus 协议rtu方式。 4) 故障追忆：存储近期电机所发生的十次故障原因。上位机经过通讯接口读取记 录。 3.1.2 主要技术指标 (1) 测量范围 a相电流输入；范围：0-999a；精度：1% b相电压输入；范围：ac150-ac500v；精度：1% (2) 过载保护：电机负载在1.05-8倍额定电流值时进行的过载保护 (3) 堵转保护：当工作电流达到3.5-8倍额定电流值时，进行堵转保护。 (4) 短路保护：当工作电流达到8倍额定电流以上保护 (5) 漏电保护:漏电电流大于60ma可进行保护 (6) 欠压保护：工作电压连续120秒低于175v时，欠压指示灯亮，进行欠压保护 (7) 缺相保护：当任一相0.10倍额定电流时进行缺相 保护 被测量 a/d 转换接口 单片机 面板键盘 键盘输入接口 工作电源 d/a 转换接口 显示器接口led 通信 rs458 ram 图图 2 电机智能综合保护器结构框图电机智能综合保护器结构框图 3.1.3 单片机的选择 本系统的智能仪表采用 atmel89 系列单片机中的 at89c55 作为微控制器，其最 大特点就是片内含有 flash 存储器，便于修改程序代码。以下是 89 系列单片机的优点： 1）内含 flash 存储器，可以承受 l 万次写擦循环。在系统的开发过程中可随 9 意进行程序修改，这样就大大缩短了程序的开发周期，减少了软件开发中的浪费。 2）提供两种省电工作方式。为了尽可能地发挥 cmos 电路功耗低的特点，at89 系列单片机有两种由软件产生的低功耗方式：空闲方式和掉电方式。在空闲方式下， cpu 停止工作，ram 和其他片内的部件(如振荡器、定时器计数器、中断系统等)继 续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式时的 15在掉电方式下，所有片内 的部件都停止工作，一切功能都暂停，只有片内 ram 的内容被保持。这种方式下的电 流可降到 15a 以下，最小可降到 06a。以上工作方式可有效降低功耗、节省电能。 3)由 8031 内核构成，与 mcs51 系列单片机兼容，这对于熟悉 mcs51 系列的用户 来说，用 at89 系列单片机取代 5l 系列进行系统设计是轻而易举的。 3.1.4 仪表面板设计 良好的仪表面板可以为用户提供友好的操作界面，外观美观、结构简单、操作方 便是其设计的目标。本仪表的面板设计了四个键盘、多个指示灯和四位数码显示器， 用于完成数据设置和显示。面板示意图如图3所示 图图 3 操作面板示意图操作面板示意图 表表 1 电机智能综合保护器面板说明电机智能综合保护器面板说明 设置键递增键递减键确认键 表表 2 故障时指示灯故障时指示灯 指示灯过载失衡缺相反序漏电欠压 10 颜色红色 故障提示发生过载发生失衡发生缺相发生反序发生漏电发生欠压 表表 3 运行指示灯参数运行指示灯参数 指示灯vakwkvarcoskwhkvarhtt 颜色红色 指示显 示内容 电压电流 有功 功率 无功 功率 功率 因数 无功 电度 累计运 行时间 表表 4 查询故障保护时参数指示灯（单位指示灯）查询故障保护时参数指示灯（单位指示灯） 指示灯vakwkvarcoskwhkvarhtt 颜色红色 指示显 示内容 故障时 电压 故障时 电流 故障时 电流比 故障记 录代码 故障时 间（秒） 故障时 间（分） 故障时 间（日 月） 故障记 录编号 在进行故障保护时的参数查询时，单位指示灯用于指代显示窗口的内容。 3.1.5 仪表参数设置 监控器在工作状态下，通过菜单操作可以设置监控器保护功能的开启和关闭，修 改时钟和各种参数。对于本系统使用的智能综合保护器，由于其要与上位机通讯，采 用的 modbus 通讯协议，主从模式，因而需要对各个电机综保进行地址设定，具体设置 步骤如下： 第一步：按确认键，进入用户参数代码选择状态，同时第四位数码管闪烁，表示 用户参数代码的最后一位数字可以修改； 第二步：按递加键或者递减键，选择用户参数代码的最后一位数，选择“c”； 第三步：按设置键，第三位数码管闪烁，表示用户参数代码的倒数第二位数可以 修改； 第四步：按递加键或者递减键，选择用户参数代码的倒数第二位，选择“3”，则用 户参数代码选择为“5-3c”，进入地址设置界面； 第五步：按设置键、按递加键或递减键输入“1”，即将该仪表地址设置为 1 其余电机智能综合保护器地址设置方法同上，依次设置为 2、3、n 表表 5 参数设置表参数设置表 参数设置 abc 5-0年月时日分秒 5-1变比漏电复延 5-2模式起延动延 5-3额定速率地址 11 5-4降起反序曲线 3.2 仪表与电机的接线方式 本电机智能综合保护器主机端有两路继电器输出，模拟量输出插座；电流互感器 插座，三相电压输入以及与 pc 机的通讯接口。如图 4 所示： 图 4 是主机端子接线图: 图图 4 主机端子图主机端子图 本种型号电机综合智能保护器外部接线端子分为两排共 18 个接线端子，和两个插 座即模拟量输出插头和电流互感器插头。需要说明的是，保护器内部工作电压是 ac220v 由接线端子 1 和 2 接入；接线端子 3 和 4,5 和 6 是电机保护器的两路继电器输 出，保护器在工作中根据检测到的电机电流、电压和运行时间，结合各种判据得出降 压启动转换或保护等结论，通过继电器输出触点动作，提供给用户接入电机控制回路 或报警回路，实现电机运行保护或报警；本系统采用的是 rs485 通讯即接线时连 9 和 10 号接线端子；模拟量输出插座内部与 1、2、3、4 号端子相接，模拟量输出时与插座 相连便能实现其功能；电流互感器插座内部与 1、2、3、4、5、6 端子相接，外部接的 是三相电流互感器；三相电压 av380v 是从 13、14、16、18 接入电机综合保护器内部 的。 图 5 是电机综合保护器外部接线图， 12 图图 5 外部接线图外部接线图 4 仪表与上位机的通信设计 在实际应用中，常采用工控机或性能及配置较高的pc机作为上位机，以智能仪表 作为下位机构成小型集散式测控系统。作为下位机的智能仪表完成现场数据采集和各 种控制任务，同时需要将数据传送给上位机进行数据处理，从而实现集中管理和最优 控制。智能仪表的串口通信硬件电路已经设计好，此时采用一个可靠、成熟且易于实 现的通信协议是该系统稳定通信的关键。由于该仪表传送的数据量并不大，所以基于 rs-485的modbus协议是一个较好的选择。 4.1 modbus 协议简介 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，控制器经由网络例如以太网和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业 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。 此协议定义了一个控制器能认识使用的数据结构,而不管它们是经过何种网络进行 通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请 13 求以及怎样侦测错误并记录，它制定了数据域格局和内容的公共格式。 当在modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址， 识别按地址发来的数据决定要产生何种行动，如果需要回应，控制器将生成反馈信息 并用modbus 协议发出。在其它网络上，包含了modbus 协议的数据转换为在此网络上 使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误 检测的方法。 4.1.1 modbus通讯协议特点 （1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用modbus协议，不需要交纳许可证 费，也不会侵犯知识产权。目前，支持modbus的厂家超过400家，支持modbus的产品 超过600种。 （2）modbus可以支持多种电气接口，如rs-232、rs-485等，还可以在各种介质 上传送，如双绞线、光纤、无线等。 （3）modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。 4.1.2 modbus通信协议在网络上的传输 (1) 在modbus网络上转输 modbus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过 公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用 于各种数据采集和过程监控。标准的modbus口是使用rs-232c兼容串行接口它定义了 连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由modem 组网。 控制器通信使用主从技术，即仅一台设备(主设备)能初始化传输(查询).其它设备 (从设备)根据主设备查询提供的数据做出相应反应。 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。如果单独通信， 从设备返回一数据作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。modbus 协 议建立了主设备查询的格式，设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、 一错误检测域。 从设备回应数据也由modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、 和一错误检测域。如果在数据接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从 设备将建立一错误数据并把它作为回应发送出去。 14 (2) 在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的 通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多 个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在数据位，modbus 协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果 控制器发送一数据，它只是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接 收到数据，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 (3)查询回应周期 a）查询 查询数据中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设 备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03 是要求从设备读保持寄存器并返回它 们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息从何寄存器开始读及要读的寄存器数 量。错误检测域为从设备提供了一种验证数据内容是否正确的方法。 b）回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应数据中的功能代码是在查询数据中的功能 代码的回应，数据段包括了从设备收集的数据，像存器值或状态。如果有错误发生， 功能代码将被修改以用于指出回应数据是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息 的代码。错误检测域允许主设备确认数据内容是否可用。 主主设设备备的的查查询询消消息息 功功能能代代码码 从从设设备备的的回回应应消消息息 设设备备地地址址 错错误误检检测测 错错误误检检测测 功功能能代代码码 设设备备地地址址 数 据 段 数 据 段 图图6 主主-从查询从查询-回应周期表回应周期表 15 4.1.3 modbus 的传输模式 modbus 通信协议有 ascii（美国信息交换码）和 rtu（远程传输单元）两种报文 传输模式。ascii 可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言（如 fortan）编程的 主计算机及主 pc 很适宜。rtu 则适用于机器语言编程的计算机和 pc 主机。 用 rtu 模式传输的数据是 8 位二进制字符，如欲转换为 ascii 模式，则每个 rtu 字符首先应 分为高位和低位两部分，这两部分各含 4 位，然后转换成十六进制等量值。用以构成 报文的 ascii 字符都是十六进制字符。ascii 模式使用的字符虽是 rtu 模式的两倍， 但 ascii 数据的译码和处理更为容易一些，此外，用 rtu 模式时报文字符必须以连续 数据流的形式传送，用 ascii 模式，字符之间可产生长达 1s 的间隔，以适应速度较慢 的机器。ascii 模式采用 lrc（纵向冗余校验）方式进行校验，其报文格式如下表所 示： 表表 6 ascii 模式报文格式模式报文格式 ：地址功能码数据字节数数据 1数据 nlrc 高字节lrc 低字节回车换行 ascii 模式中，报文帧中的每个 8 位字节都转换为两个 ascii 码发送。报文中的每个 ascii 码都由 16 进制字符组成，传输的每个字符都包括 1 个起始位、7 个数据位、1 个奇偶校验位、1 个停止位；如果没有校验位，则有两个停止位。lrc 计算时不包括 开始的冒号符、lrc 本身和回车换行符。 rtu 模式的报文格式如下表所示： 表表 7 rtu 模式的报文格式模式的报文格式 地址功能码数据 1数据 ncrc 高字节crc 低字节 地址：modbus 地址，1 个字节； 功能码：modbus 功能代码，1 个字节。modbus 协议支持的功能码共 16 条 （116） ，其中西门子 modbus rtu 协议库支持最常用的 8 条； 信息数据：n 个字节，格式与功能码有关； crc ：循环冗余校验，两个字节。 本系统采用 rtu 报文传输模式， rtu 模式下，报文中的每个 8 位字节被转化为 两个 16 进制字符，然后以字节为单位进行传输，并采用 crc（循环冗余校验）方式进 行校验。rtu 模式的优点在于在同样的波特率下可比 ascii 方式传送更多的数据，即 意味着同波特率下有着比 ascii 模式更高的传输效率。 16 代码系统为 （1）8 位二进制十六进制数0.9 a.f （2）数据中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成每个字节的位 （3）1个起始位 （4）8个数据位最小的有效位先发送 （5）1个奇偶校验位，无校验则无 （6）1个停止位（有校验时），2个bit（无校验时） （7）错误检测域 表表 8 rtu 传输模式的特性传输模式的特性 特性rtu(8 位) 编码系统二进制 开始位1 位 数据位8 位 奇偶校验1 位（此位用于奇偶校验 无校验则无该位） 停止位1 或 2 位 每一个字符位数 错误校验crc(循环冗余校验) 4.1.4 modbus 的数据校验方式 crc-16（循环冗余错误校验） crc-16 错误校验程序如下：报文（此处只涉及数据位，不指起始位、停止位和任 选的奇偶校验位）被看作是一个连续的二进制，其最高有效位（msb）首选发送。报 文先与 x16 相乘（左移 16 位），然后看 x16+x15+x2+1 除，x16+x15+x2+1 可以表示为二进制数 11000000000000101。整数商位忽略不记，16 位余数加入该报文 （msb 先发送），成为 2 个 crc 校验字节。余数中的 1 全部初始化，以免所有的零 成为一条报文被接收。经上述处理而含有 crc 字节的报文，若无错误，到接收设备后 再被同一多项式（x16+x15+x2+1）除，会得到一个零余数（接收设备核验这个 crc 字节，并将其与被传送的 crc 比较）。全部运算以 2 为模（无进位）。 习惯于成串发送数据的设备会首选送出字符的最右位（lsb-最低有效位）。而在 生成 crc 情况下，发送首位应是被除数的最高有效位 msb。由于在运算中不用进位， 为便于操作起见，计算 crc 时设 msb 在最右位。生成多项式的位序也必须反过来， 以保持一致。多项式的 msb 略去不记，因其只对商有影响而不影响余数。 17 生成crc16校验字节的步骤如下： （1） 取一个16 bit 之缓存器设定值= ffffh （所有数位全部为1），作为crc 缓存器； （2）该16位寄存器的高位字节与开始8位字节进行“异或”运算，运算结果放入这 个 16位寄存器； （3）把这个16寄存器向右移一位； （4）若向右(标记位)移出的数位是1，则生成多项式1010000000000001和这个寄存 器进行“异或“运算；若向右移出的数位是0，则返回3； （5）重复（3）和（4），直至移出8位； （6）另外8位与该十六位寄存器进行“异或”运算； （7）重复（3）（6），直至该报文所有字节均与16位寄存器进行“异或”运算， 并移位8次； （8）这个 16 位寄存器的内容即 2 字节 crc 错误校验，被加到报文的最高有效位。 4.1.5 错误检测方法 标准的modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧 检测(crc)应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过 程中检测每个字符和整个消息帧。用户要给主设备配置一预先定义的超时时间问隔， 这个时间间隔要足够长，以便任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到一传输 错误，消息将不会接收，也不会向主设备做出回应。这样超时事件将触发主设备来处 理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。 (1)奇偶校验 用户可以配置控制器是奇或偶校验，或无校验。这将决定了每个字符中的奇偶校验位 是如何设置的。本系统配置控制器是偶校验。如果指定了偶校验，“1”的位数将算到每 个字符的位数中（rtu中8个数据位），例如rtu 字符帧中包含以下8个数据位： 1 1 0 0 0 1 0 1 整个“1”的数目是4个。如果便用了偶校验，帧的奇偶校验位将是0 ，便得整个“1” 的个数仍是4个。 18 (2) crc检测 使用rtu模式，消息包括了一基于crc方法的错误检测域。crc域检测了整个消 息的内容。crc域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到 消息中。接收设备重新计算收到消息的crc，并与接收到的crc域中的值比较，如果 两值不同，则有误。 4.2 modbus 协议实现的通讯方式的设计 数字化通信技术在工业自动化领域的广泛应用推动了控制网络技术的发展，并成 为自动化领域的热门技术和应用实践。传统的有线通信由于对通信线路的依赖，应用 范围有所限制，无线通信正在得到巨大的发展和使用。无线通信技术在工业自动化系 统的应用主要体现在各类支持无线通信的智能仪表及远程、分布控制系统的通信上。 虽然各种先进的通信技术在工业自动化系统和终端中获得了广泛的应用，传统的通信 方式(如串口通信)仍然是许多仪表和装置的基本通信方式，在终端级它们是所有通信方 式中应用最多的。 4.2.1 rs-485 串行标准接口 串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，简单说只是物理层的一个标准。 没有规定接口插件电缆以及使用的协议，所以只要我们使用的接口插件电缆符合串口 标准就可以在实际中灵活使用，在串口接口标准上使用各种协议进行通讯及设备控制。 串行通讯方式具有使用线路少、成本低的特点，在远程传输时被广泛采用。在串行通 讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通 讯。rs-232接口和rs-485接口是目前最常用的两种串行通讯接口。 由于 rs232 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与ttl 电平 不兼容故需使用电平转换电路方能与ttl 电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kbps； （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共 地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50 英尺，实际上也只能用在 50 米左右。 综上所述原因，所以rs-232接口在工业网络控制应用中不能得到推广。 19 针对rs-232的不足，出现了rs-485接口标准，其特点是结构简单、价格低廉、通 信距离和数据传输速率适当，被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇 控制、监控报警等领域。 它具有以下特点： （1）rs-485的数据最高传输速率为10mbps。 （2）rs-485接口的最大传输距离为1200m。 （3）rs-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即 抗噪声干扰性好。 （4）rs485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以rs485接口均采用 屏蔽双绞线传输。 （5）rs-485接口在总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，可以利 用rs-485接口方便地建立控制网络。 基于rs-485接口标准的以上优点，本系统采用rs-485通信接口。采用rs-485作为 物理层，modbus总线系统如图7所示。 主机 转换器 rs232rs485 设备 1设备 2设备 3 图图7 modbus总线系统图总线系统图 4.2.2 rs-485 转 rs-232 转换接口设计 随着数据采集系统的广泛应用，通常由单片机构成的应用系统，如仪器仪表、智 能设备等，都需要与pc机之间交换数据，实现与pc机之间的通讯功能，以充分发挥pc 和单片机之间的功能互补，资源共享的优势。以往常用的rs-232协议在很大程度上已 不能满足设计的要求，如传输速率慢，传输距离短，传输信号易受外界的干扰等缺点， 20 为了克服rs-232协议的缺点，采用加接性能优越的rs-485接口芯片方式，利用此芯片 实现单片机与pc机的实现远程通讯，从而实现用pc机来管理单片机的功能。 rs485-232转换器主要包括了电源、232电平转换、485电路三部分。本电路的232 电平转换电路采用了max232集成电路，485电路采用了max485集成电路。为了使用 方便，电源部分设计成无源方式，整个电路的供电直接从pc机的rs232接口中的 dtr（4脚）和rts（7脚）窃取。pc串口每根线可以提供大约9ma的电流，因此两根 线提供的电流足够供给这个电路使用了。使用本电路需注意pc程序必须使串口的dtr 和rts输出高电平，经过d3稳压后得到vcc。 max485 是通过两个引脚 re（2 脚）和 de（3 脚）来控制数据的输入和输出。当 re 为低电平时，max485 数据输入有效；当 de 为高电平时，max485 数据输出有效。 在半双工使用中，通常可以将这两个脚直接相连，当 pc 机接收数据时，使用 max232 的 9 脚输出低电平，使 max485 的/re 和 de 为低电平而处于数据接收状态。 当 pc 机发送数据时 max232 的 9 脚输出高电平，使 max485 的/re 和 de 为高电平 而处于数据发送状态。 vcc gnd ro 1 re 2 de 3 di 4 gnd 5 b 6 a 7 vcc 8 u6 max485 1 6 2 7 3 8 4 9 5 db2 db9 0.1uf c19 1uf c18 gnd 0.1uf c20 1uf c21 vcc c1+ 1 v+ 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 v- 6 t2o 7 r2i 8 r2o 9 t2i 10 t1i 11 r1o 12 r1i 13 t1o 14 gnd 15 vcc 16 u5 max232cpe 1k r15 res2 1.1uf c22 vcc 120 r17 gnd vcc 1 2 j1 con2 a b txd rxd d3d4 vinvout gnd vr2 1uf c15 gnd 0.1uf c17 1uf c16 vcc gnd 120 r16 120 r18 gnd vcc 图图8 rs485-232转换器电路图转换器电路图 4.3 电机智能综合保护器的 modbus-rtu 通讯协议 （1）通讯口设置 通讯方式：异步串行通讯接口，rs-485 波特率 11038400bps（默认 9600） 21 （2）数据祯格式 一位起始位 八位数据位 偶校验 一位停止 表表9 数据帧格式表数据帧格式表 11-bits character frame start bit 0123456stop bit even panty n 7 8-data bits （3）电机智能综合保护器寄存器起始地址 表表10 电机综合保护器寄存器地址表电机综合保护器寄存器地址表 功能功能说明 寄存器 地址 寄存器长度 （字） 数据类型 0000h 有功电度 0001h 2long 0004h 10h 累计运行时间 0005h 2long 电机状态（d0- d8 代表欠压、 漏电、反序、 缺相、失衡、 过流、保护、 运行、启动） 0006h1ushort a 相电流0007h1ushort b 相电流0008h1ushort c 相电流0009h1ushort 000dh 三相有功功率 000eh 2long 三相功率因数0011h1ushort 0012h 有功电能 0013h 2long 0018h a 相有功功率 0019h 2long 001ah 04h b 相有功功率 001bh 2long 22 001ch c 相有功功率 001dh 2long a 相电压000ah1ushort b 相电压000bh1ushort c 相电压000ch1ushort 5 上位机及组态设计 5.1 上位机选择 本系统上位机采用研华工控机ipc-610，具有以下优点： （1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力 （2）机箱内有专用底板，底板上有pci和isa插槽 （3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力 （4）具备连续长时间工作能力 （5）采用便于安装的标准机箱 （6）性能稳定、可靠 5.2 人机界面设计 人机界面的设计在自动化测控系统设计中的地位是相当突出的，良好的人机界面 对系统性能的改善起到极大的推进作用。但一个实用的界面设计离不开对系统内部结 构和工作机制的了解，良好的界面技术是人们对系统运行机制理解的外观表现，只有 将实际工程问题与计算机技术结合起来，才能开发出友好的人机界面。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，他们是在自动控制系统监控 层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良 好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预置的各种软件模块可以非常容易的实现和 完成监控层的各项功能。 本系统设计采用北京亚控的“组态王”组态软件，其具有以下特点： （1）强大的界面显示组态功能，运行于windows环境下，充分利用windows的图 形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接 进人开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界 面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可 任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如 23 隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。 （2）适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短。开放性是指组态软件 能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要 指标。 组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上 位机与下位机的双向通信 （3）具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据连接功能； （4）中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言，操作简单 易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次获重复反震运行的能力，可以实时 的显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观的显示控制系统的实时曲线； （5）丰富的功能模块。提供丰富的功能库，满足用户的测控要求和现场需求。利 用各种功能模块，完成实时监控、产生功能报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报 警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作； （6）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字 符型等，实现与外部设备的数据交换。 （7）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程 序，增强图形界面 5.2.1.组态王主要参数设置 （1）定义组态王设备 组态王定义设备时选择：plc 莫迪康 modbus(rtu) 串行 （2）设备地址及地址参数定义 设备地址格式：address:delay:delay2 address 1-247 设备地址，此处设备地址应与电机综合保护器内部设置的地址保持 一致 delay 0-60000 发送每条命令帧后的延迟时间（毫秒） delay2 0-100000 发送每条命令帧前的延迟时间（毫秒） 例如： 1:300:500 若 delay/delay2 为 0，或者不输入 delay/delay2，驱动里发送命令帧后/前就不会 有延迟。 建议的通讯参数：无需设置通讯参数，视具体设备而定 24 （3）串口设置 图图9 组态王串口设置组态王串口设置 （4）组态王数据词典i/o 变量定义 表表11 组态王组态王i/o变量定义表变量定义表 寄存器名称读写属性数据类型变量类型寄存器范围 dddd 0dddd读写biti/o 离散1 , 50000 1dddd只读biti/o 离散1 , 9999 3dddd只读shortushorti/o 整数1 , 65535 4dddd读写shortushorti/o 整数1 , 65535 8dddd只读float,longi/o 实数1 ,65534 9dddd读写float,longi/o 实数1 ,65534 swap读写ushorti/o 整数 5.2.2 组态界面设计 第一步：添加变量，如下图所示 25 图图 10 组态王变量添加界面组态王变量添加界面 第二步：绘制组态界面，如下图 图图 11 组态王绘制界面组态王绘制界面 第三步：连接变量，以 a 相电压为例： 双击文本框，出现动画连接，选择模拟值输出，在表达式后点击“？”选择“a 相电压” 26 图图 12 组态王变量连接界面组态王变量连接界面 这样就完成了变量的连接，其余变量连接方法同上。 5.3 上位机仿真试验 （1）设置配置向导，在 i/o 设备列表显示区中，选中 plc 设备，单击符号“+”将 该节点展开，再选中“亚控”，单击符号“+”将该节点展开，选中“仿真 plc”设备，再单 27 击符号“+”将该节点展开，选中“串行”。 之后分别设置逻辑名称、设备地址、通讯参 数，完成设备配置信息。 图图 13 仿真设备配置向导选择仿真设备配置向导选择 （2）定义仿真