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1、 电机智能监测系统的设计 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
2、能保护器；在线监测；组态王；Modbus RTU；RS485The 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 protec
3、tion 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 ch
4、aracteristics, 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 m
5、anner 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 th
6、e life of the electrical equipment to protect the normal production of the factory.Key words: Intelligent motor protective device; on-line monitoring; King view; Modbus RTU; RS485目 录摘要11 引言51.1 课题提出的依据和意义51.2 针对工厂电机的工况监测和故障诊断系统52电机智能监测系统设计框架52.1 本课题的主要任务52.2 本课题的主要内容62.2.1 电机智能监控系统原理图62.2.2 电机智能监测系统
7、设计原理73电机智能监测系统硬件系统设计73.1电机智能综合保护器介绍73.1.1 主要特点及可实现功能73.1.2 主要技术指标83.1.3 单片机的选择83.1.4 仪表面板设计93.1.5 仪表参数设置103.2仪表与电机的接线方式104 仪表与上位机的通信设计124.1 MODBUS 协议简介124.1.1 MODBUS通讯协议特点134.1.2 MODBUS通信协议在网络上的传输134.1.3 MODBUS的传输模式144.1.4 MODBUS的数据校验方式164.1.5 错误检测方法174.2 MODBUS协议实现的通讯方式的设计184.2.1 RS-485串行标准接口184.2.
8、2 RS-485转RS-232转换接口设计194.3电机智能综合保护器的MODBUS-RTU通讯协议205上位机及组态设计225.1 上位机选择225.2 人机界面设计225.2.1.组态王主要参数设置235.2.2 组态界面设计245.3 上位机仿真试验266 结束语30总结30参考文献311 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
9、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
10、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
11、，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
12、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
13、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
14、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RS232RS485RS485接口Modbus通讯协议图1 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
15、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
16、、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；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；
17、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 RS458RAM图2 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A
18、T89C55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R
19、AM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3 操作面板示意图表1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2 故障时指示灯指示灯过载失衡缺相反序漏电欠压颜色红色故障
20、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3 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4 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
21、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
22、法同上，依次设置为2、3、n表5 参数设置表参数设置ABC5-0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4 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、
23、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，图5 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
24、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
25、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
26、，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
27、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
28、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。(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
29、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。图6 主-从查询-回应周期表4.1.3 Modbus的传输模式Modbus通信协议有ASCII（美国信息交换码）和RT
30、U（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。A
31、SCII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6 ASCII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7 RTU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：Mo
32、dbus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。代码系统为待添加的隐藏文字内容2（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
33、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8 RTU传输模式的特性特性RTU(8位)编码系统二进制每一个字符位数开始位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X
34、16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
35、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。 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
36、），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
37、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。(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
38、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
39、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
40、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。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
41、-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7 MODBUS总线系
42、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，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2
43、32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
44、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。图8 RS485-232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）（2）数据祯格式一位起始位八位数据位偶校验 一位停止表9 数据帧格式表11-bits character frameStartbit0123456StopbitEvenpantyn78-data bits（3）电
45、机智能综合保护器寄存器起始地址表10 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10H有功电度0000H2LONG0001H累计运行时间0004H2LONG0005H04H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）0006H1USHORTA相电流0007H1USHORTB相电流0008H1USHORTC相电流0009H1USHORT三相有功功率000DH2LONG000EH三相功率因数0011H1USHORT有功电能0012H2LONG0013HA相有功功率0018H2LONG0019HB相有功功率001AH2LONG001B
46、HC相有功功率001CH2LONG001DHA相电压000AH1USHORTB相电压000BH1USHORTC相电压000CH1USHORT5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
