ModBus通信协议相关知识汇总

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（施耐德电气前身）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。

Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

Modbus比其他通信协议使用得更广泛的主要原因有：公开发表并且无版权要求；易于部署和维护；对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制。

三旺通信GW1101系列网关

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。

ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。

采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。

内部通信协议

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。

对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。

通信传输方式

目前，Modbus可以通过下列三种通信方式实现：

1、以太网方式：对应的传输模式是MODBUS TCP，通讯介质包括5类/6类网线或光纤等；

2、异步串行口方式：对应的传输模式是MODBUS RTU、ASCII，各种通讯介质包括有线的RS-232/422/485、光纤、无线等；

3、高速令牌传递方式：对应的传输模式是Modbus PLUS，通讯介质包括双绞线、同轴电缆等。

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施耐德ATS48 软启动器在散货码头带式输送机上的应用

李晓虎

北京起重运输机械设计研究院设备监理部 北京 100007

摘 要：根据某码头带式输送机电气控制系统设计情况，讨论在散货码头及其堆场输送系统中，使用施耐德ATS48软启动器启动带式输送机的设计和配置。以及讨论如何降低软启动器负荷，延长软启动器使用寿命。根据码头带式输送机的启动和运行特点，在软启动器的主回路中配置了塑壳断路器，线路接触器及旁路接触器。在控制回路中设置了电源微型断路器，启动控制回路，并设置了隔离继电器和旁路继电器，以及软启动器电流检测输出回路。特别是根据软启动器实际参数，结合经济计算等，详细论述了旁路回路设置的重要性。

关键词：带式输送机；ATS48 软启动器；启动电流；旁路

中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）19-0055-05

0 引言

带式输送机广泛应用于散货码头，其特点是连续运行时间长，功率大，不调速，启动时冲击电流大，一般需要采取特别的启动单元进行限流启动。目前国内性价比较高的启动方式是采用电力软启动器启动，各类文献对各种启动方式性能及优劣的研究较多，但鲜见对电力软启动器回路具体设计及合理使用方面的研究。本文依据实际工作的实践经验，讨论了某码头使用施耐德ATS48 软启动器的情况，着重论述软启动器外围部件配置及功能，以及在码头带式输送机电气控制中设置软启动器旁路的重要意义。

1 散货码头及其堆场带式输送机启动特点

散货码头及堆场带式输送机胶带长，运量大，使用的电机功率动辄上百千瓦，这样的电动机启动，如不采取措施，将产生很大冲击电流，一般为电机额定电流的5~7 倍，使供电网络及开关设备过载，为了适应大的电流冲击，需要增大供电系统和开关设备的容量，使工程成本增加。

大启动电流同时也使生产现场电气系统产生大的电压降，特别是对于380 V 低压系统，产生的压降更大，有时可达100 V 以上，到达电机端的电压仅270 V 左右，使电机启动时间变长，甚至启动失败。同一电网上其他设备的正常运行也受到影响。

直接启动电动机时产生高的峰值转矩，对带式输送机械结构也会产生显著影响，它不但会对电动机本身产生冲击，也会使输送带发生冲击颤动，甚至撕裂，传动滚筒和输送带之间还会发生打滑的情况，损坏传动滚筒胶层，影响胶带使用寿命，增加运行成本。鉴于上述原因，在带式输送机启动时，有必要采取措施，降低启动电流，减缓对电网的冲击和对带式输送机结构的冲击，改善启动性能。

2 启动方式

为改善带式输送机启动性能，可采用的启动方式有：自耦变压器降压启动、星三角降压启动、电力软启动器启动、变频器启动等电力软启动方式，以及采用液力耦合器及其他一些性能更好的机电一体化软启动产品。其中，电力软启动器启动在降低启动电流、改善启动性能方面，有着较高性价比，在国内外得到了广泛的应用。

码头带式输送机功率大，连续运行时间长。如何通过合理设计，充分发挥软启动器性能、节约能源、提高软启动器使用寿命，是设计软启动单元的核心工作。本文以某散货码头及其堆场12 条带式输送机的启动控制为例，介绍施耐德SCHNEIDER ATS48 软启动器在启动控制中的应用。

3 电力软启动器工作原理简述

施耐德ATS48 软启动器由三相反并联的晶闸管构成，它串接在三相电源与电动机之间，通过改变晶闸管门极脉冲触发角，使晶闸管导通角从零逐渐增大，根据预先设置的软启动器参数曲线，电动机输出力矩随电机上的端电压的增大而逐渐增大，转速随之逐步提高，直至达到额定端电压，额定转矩和转速，启动过程结束。

软启动器的输出是一个平滑升压过程（具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作，此时可使旁路接触器接通，额定工作电流通过旁路支路流通，电机进入稳态运行；停机时，先切断旁路接触器，恢复软启动器运行，软启动器内晶闸管导通角由大逐渐减小，使电动机供电电压逐渐减小，电机转速由大逐渐减小到零，完成停车过程。SCHNEIDER ATS48 电力软启动器主电路框图见图1。

图 1 SCHNEIDER ATS48 电力软启动器主电路框图

4 码头布局及设备分布情况

本文讨论的某码头分为前沿码头和后方堆场两个区域，在这两个区域的端部有一栈桥连接，栈桥两端海陆侧各设有一座转运站T1、T2。12 条胶带输送机分布在码头、堆场、和栈桥上，经过转运站T1、T2 互相连接起来组成输送系统。码头上至端部转运站T1 并行分布4 条带式输送机；转运站T1 至T2 的栈桥上并行分布4条带式输送机 ；转运站T2 至堆场分布4 条带式输送机，至煤堆场1 条，至原矿堆场3 条，这4 条带式输送机呈辐射状通向各处堆场。

电气房布置在陆侧的T2 转运站附近，12 带式输送机的电源柜、开关柜及PLC 控制柜都集中部置在里面。

设2 个电源柜，每个电源柜引出一组380 V，50 Hz 铜母线。设6 个开关柜，每3 个开关柜共用一组铜母线。每个开关柜内布置2 套软启动器，共12 套，分别对12条带式输送机进行启动控制。PLC 控制柜2 个，用于布置PLC 模块及其外部I/O 继电器等。

5 胶带输送机启动单元设计

5.1 软启动器主回路设计

5.1.1 设置主断路器

在带式输送机电气部分和机械部分检修时，为保证人员安全，防止设备的突然重启，在开关柜内，每台软启动器动力电路上，根据软启动器容量配置一台3P 塑壳断路器QF，使检修时软启动器三个进线端子R、S、T 可靠断电，切断三相380 V 电源供给。

ATS48 软启动器启动时电流可达4 In，设计选型时，要考虑启动时的冲击电流和启动的持续时间，使其在正常启动过程中不会过载脱扣，也不要容量过大，失去对电路的短路和过载保护。设计出符合相关规范要求的电机保护产品。

5.1.2 设置主回路接触器

为使控制系统PLC 及软启动器保护功能参与带式输送机自动控制，在断路器QF 后面设置接触器KM1。该接触器的选型，同样要考虑启动时电流的冲击影响。

5.1.3 设置旁路接触器

为保证在带式输送机启动结束后，软启动器能够退出运行，设置旁路接触器KM2，旁路接触器连接到电源端的R、S、T 和ATS48 上的旁路端子A、B、C 上,而非直接连接到电机接线端子U、V、W 上，这样即使软启动器晶闸管主电路在启动完成后退出工作，软启动器依然能通过其内置的检测装置TC，监测流过电机的实时电流，对电机进行控制，并判断缺相等故障，以及计算电机发热并对电机进行相应保护。旁路接线如图2 所示。

旁路接触器的选型可不考虑通断时的冲击电流，仅需考虑电动机的额定工作电流。

图 2 本项目SCHNEIDER ATS48 电力软启动器接线原理图

5.2 软启动器控制回路设计

5.2.1 设置微型断路器

在控制回路的电源端设置2P，6 A 微型断路器Q，给软启动器控制线路提供220 V 交流电源，并在带式输送机检修时，切断软启动器控制电源CL1、CL2，以免停机故障消失后，机器重启，对人员及机械造成安全隐患。

5.2.2 软启动器的启停控制

本系统软启动器启停采用2 线制控制，运行和停机是由开关S 的状态1 和0 进行控制，1 为运行，0 为停机，RUN 和STOP 输入状态同时考虑。

5.2.3 软启动器可编程输出继电器R1

在此系统中，可编程输出继电器R1 定义为隔离继电器，参与主接触器KM1 的通断控制，在电动机过热及软启动器其它故障未排除的情况下，即使PLC 给出运行命令RUN，该继电器R1 内置触点也不能闭合，继电器K1 线圈也不能得电，主回路接触器KM1 不能通电吸合，电机不能启动。直到电机及软启动器均没有故障的情况下，该继电器R1 输出，为软启动器启动电机做好准备。图2 为软启动器接线原理图。

5.2.4 启动结束继电器R2

当启动器通电，没有故障发生，且电机已经完成启动阶段时，启动结束继电器R2 自动激活，此时，旁路继电器K2 线圈得电，接通旁路接触器KM3，软启动器主回路被短接，电机工作电流不再通过软启动器主回路晶闸管，使软启动器主电路元件处于休息状态。在此期间，旁路后的电动机工作电流，不再流经软启动器R、S、T 输入端子进入软启动器，而是从软启动器旁路端子A、B、C 流入软启动器，然后依然经过其检测元件TC 进行检测、计算，并输出测得电流值，以提供系统保护。

见图1 软启动器主电路框图和图2 软启动器接线原理图。当卸船工作结束，需要停机减速或在工作中发生故障时，继电器R2 触点打开，旁路接触器KM3 控制回路失电，断开旁路支路，软启动器重新投入工作运行，进行减速、停止控制。

5.2.5 可编程模拟输出AO1

将软启动器检测所得驱动回路电动机电流, 输出到控制系统PLC 模拟量输入模块AI 中，以供控制及显示。见图2。

6 旁路接触器设置的意义

当设有旁路支路时，在软启动器完成带式输送机启动后，旁路接触器接通。大的电机额定电流不再通过软启动器晶闸管，减少了软启动器功率损耗。这时，其耗散功率极小，仅为15~30 W。

该码头12 条带式输送机用于接卸万吨级矿石和煤炭散货轮。其每次卸船连续运行时间长，运量大，属于恒转矩运行。采用软启动器启动各带式输送机后，如不及时让软启动器主回路退出运行，将会使软启动器核心功率元件晶闸管长时间（一般至少数小时以上）承载额定工作电流，导致其长时间发热，降低软启动器使用寿命，并造成电能浪费，附属通风设备也因长时间工作而加大损耗。软启动器无旁路且在额定电流下运行时，其功率元件耗散的功率都在数百瓦以上。各带式输送机软启动器具体情况如表1 所示。

6.1 对软启动器使用寿命的影响

在带式输送机启动完毕，投入正常使用后，如不采用旁路的方法退出软启动器主回路运行，将会使软启动器长时间满载运行，由启动时的数分钟运行，到随着带式输送机工作全程运行，每天工作可达10 h 以上，严重缩短软启动器使用寿命。

6.2 对软启动器使用性能的影响

软启动器主回路功率元件在交流50 Hz 的额定电流下连续运行，在狭小封闭的开关柜内产生热量耗散（每两台软启动器布置在一个柜体内），使柜内温度升高。在面积30 m2 的电气房内，布置着11 个电气柜，夏季环境温度能达到40℃，电气房内温度更高，即便软启动器和开关柜上的冷却风扇都开启，要保持40℃以下的软启动器使用允许环境温度也很困难，施耐德ATS48系列软启动器的额定工作环境温度是40℃，超过该温度，每超过1℃，需降容2% 使用，如果软启动器环境温度达到50℃，降容将达到（50℃ -40℃）×2%=20%,届时软启动器将无法正常启动带式输送机运行，除非选择软启动器时提高软启动器容量规格。

6.3 造成的电能浪费和经济损失

若软启动器启动完毕后不进行旁路处理，还将产生一定的电能浪费，从表1 可以看出，在各条输送带都运行的情况下，各软启动器一直流过额定电机工作电流，12 台软启动器将产生6 308 W 的耗散功率，按每天工作10 h 计算，每天增加耗电63 kW·h , 每年工作按330 d 计算，年增加耗电20 816 kW·h，按码头所在地工业用电价格，简按谷峰平均电价每度0.7 元计算，全年增加电费14 571 元。

6.4 对电网的谐波污染

在带式输送机工作中，交流50 Hz 的电流一直通过软启动器晶闸管，在晶闸管导通与关断间，将会在电网中产生高频冲击，造成一定的谐波污染。这会对电机的使用造成不利影响，同时也对电网中其它设备正常运行造成危害。

另外，因为温度升高，软启动器和开关柜上的冷却风扇长期自动开启，也将缩短冷却风扇等附属设备寿命。综上所述，在码头带式输送机上，采用施耐德ATS48 软启动器启动完成后，采用旁路接触器旁路工作电流，应为优先选择。使用ATS48 软启动器，进行正确的参数设定和系统PLC 程序设计也很重要，保证相关准备，才能充分发挥ATS48 软启动器的性能。

7 结语

根据散货码头带式输送机大功率，非调速，连续长时间运行的特点，提出了在带式输送机启动完成后，对软启动器配置旁路, 在提高软启动器性能，延长软启动器寿命，以及改善电网质量方面有重要意义，文中结合施耐德ATS48 软启动器的运行参数，计算了旁路带来的经济效益。

限于篇幅限制和文章的主旨，对于主回路和控制回路元件选型配置，仅说明了配置目的和选型原则，暂未进行更深入计算及论述。

参考文献

[1] 施耐德电气（中国）有限公司.ATS48 软启动器用户手册[M]. 北京：施耐德电气（中国）有限公司.

[2] 王静. 软启动器与旁路控制转换[Z]. 中国工控网，http://www.gongkong.com/article/201711/77172.html [2017/11/6].

[3] 施耐德电气公司. Compact NSE 塑壳断路器100 ～ 630A[M] . 北京：施耐德电气（中国）有限公司.

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