Modbus RTU通讯在真空低温油炸设备控制系统中的应用

油炸食品加工法是食品烹饪的一种常用方法。然而在近年来食品安全事故频发的背景下，人们对传统方法加工的高温油炸食品产生了排斥和质疑。瑞典粮食管理局研究发现，食物经过高温加工（煎、炸或烤）处理会产生丙烯酰胺，这一成分经动物实验已证明有致癌作用。而不同的烹调温度和时间又将影响相同食品中的丙烯酰胺含量［1］。于是，真空低温油炸果蔬脆片行业得到了蓬勃发展。随着中国内销和出口的真空低温油炸食品产量的不断提高，物料粘结成块、受热不均、含油量高、资源浪费等问题不断突显，传统的继电器和单一PLC的控制模式下的产品生产线已严重影响了果蔬脆片的质量和销量。本研究设计根据Modbus RTU通讯协议简单、抗干扰能力强、性价比高等特点，开发设计出一套针对果蔬类的全自动化的真空低温油炸控制系统，大大提高了产品的品质和产量，在企业得到了良好的运用。

1 总体设计

1.1 系统总体结构

真空低温油炸设备控制系统以永宏PLC FBs-60MA为主控制器，通过液位传感器、RTD温度处理模块、真空泵、蒸汽阀等设备共同配合对果蔬脆片的油炸进行控制。为了克服上述存在的问题，通过Modbus RTU通讯用变频器对脱油电机进行控制，脱油电机选用的是江苏卡特电机制造有限公司的Y2YB160M-4-PV2R2型三相异步电动机，变频器选用苏州吉泰科公司的GK600-4T11G型。人机界面选用了昆仑通泰公司的TPC1061Ti型号触摸屏，接受操作员的操作指令，并向下位机PLC发出控制信号，控制设备的泵、阀门等操作。触摸屏上还可以显示现场数据，监控油炸设备现场相关流程。该系统总体结构图如图1所示。

  

图1 系统总体结构图

1.2 整机的结构与功能

常见的真空低温油炸设备有间歇式和连续式两类，本文真空低温果蔬油炸设备的设计参考真空间歇式加工模式。该设备结构图如图2所示。

  

图2 设备结构图

真空低温油炸自动控制设备的简要运行过程是：将预处理并称重的果蔬原料放入载物篮，吊入真空油炸罐后，罐盖旋转编码器工作使其闭合密封。油炸罐注入已预热的植物油至设定液位，打开蒸汽加热阀对油加热，与此同时，启动真空泵工作至预设真空度。油温上升，果蔬片按预定时间进行真空油炸。油炸结束关闭蒸汽加热阀，打开放油阀抽油完毕后，载物篮按预定时间高速旋转甩干果蔬脆片内附着水分和残油。真空破坏阀打开注入空气，罐盖旋转编码器工作开盖，载物篮吊出，油炸结束［2］。该设备主要部分的功能如下：

编后：本文选自《打工》，文中方勋梅系化名。经作者同意，编者对原文作了一些改编，基本事实和故事情节保留原状。本文题旨和作者观点不代表编者和本刊立场，编者只是客观编发，向读者推介一篇有趣文章，说明大千世界，芸芸众生，各有千秋。

（1）真空油炸罐：设备核心部位，分为罐体和罐盖。罐盖由旋转编码器自动控制开盖角度，并设置安全自锁装置，如断电、断气时自动自锁，提高设备的安全可靠性。罐体的密封性至关重要，本设备在罐体与罐盖、传动轴的间隙采用了双密封处理技术（机械密封结合进口密封圈），增强了密封效果，提高了产品质量。

ABT端口用于放弃控制，传输交易过程中ABT＝1，则本指令立即停止传输，程序中默认为0。

（3）加热装置：本设备选用蒸汽方式，螺旋盘管结合夹套的鱼肠状加热管，直接换热，热力足，调整幅度大，足以应对炸品刚入真空油炸罐时温度大幅下降的问题。

式中，r和θ分别表示极坐标中的径向参数和角向参数；k=2π/λ表示激光波数，λ为激光波长，表示输入激光高斯束腰半径，F为高斯聚焦参数；Jl(Ωr)表示第一类贝塞尔函数；l为轨道角动量(拓扑荷)数，Ω=p/w0为宽度参数，p为贝塞尔高斯涡旋光束的波形参数.

（4）传动装置：为克服轴向摆动问题，本设备传动轴采用双轴承定位。通过传动轴变频电机与载物篮相连。

在《圣经》汉译的前三个阶段，合作翻译中始终以传教士为主体，中国文人只是作为助手进行润色。那么，在中国以天下之中心自居的文化背景下，为何少部分文人愿意襄助传教士进行宗教翻译？

（6）低位油罐：低位油罐相当储油罐，当油炸时把罐中的油抽到真空油炸罐中，油炸完毕又把剩下的油放回到低位油罐中，即利于洁净养护，又节约能源。

2 Modbus RTU通讯协议

2.1 Modbus简介

A／R端口是通讯协议选择位，程序中设置0，选择Modbus RTU通讯协议。

2.2 Modbus RTU 通讯机制

PLC控制器与变频器之间采用的Modbus RTU通讯协议，它是一种主从技术，即仅一个设备（主站）能初始化查询，与它通讯的其他设备（从站）都处于被动状态，只能由主站状态做出反馈。主站和从站之间有两种通讯方法，其一通过广播方式与所有从站通讯，但从站不需要回应；第二种是独立与从站通讯，从站需要反馈信息。本文选用的是第二种方法，设置PLC等控制设备为主站，设置变频器等为从站，由主站发出带有从站地址的查询信息帧，对应从站回复响应信息帧。若传输过程从站无法识别或传输错误，从站也会反馈一帧错误数据回应给主站［4］。Modbus RTU的查询—回应执行过程如图3所示。

店子几天没开门，老巴立即忙着清理货物。阿东上前帮忙说：“爸爸你要不要歇几天。你的腿磨成那样了，最好去医院上点药。”

  

图3 通信协议执行过程

2.3 Modbus RTU协议的帧格式

Modbus RTU的信息帧包括地址信息、功能信息、数据信息和错误校验信息。Modbus RTU协议是以HEX码的形式进行数据存储和通讯，4个信息区，各信息数据分别存放在8位十六进制字节中，其格式如表1所示。

结合问卷调查和访谈内容，采用相关分析和回归分析的方法，对少数民族大学生创业能力的影响因素进行进一步分析，研究文化因素、社会因素和个体因素与少数民族大学生创业能力之间的因果关系。

 

表1 信息帧格式

  

起始 地址 功能 数据 错误校验 完成T1 8位 8位 nx 8位 L（8位）H（8位） T1

（1）帧头和帧尾：为方便从设备识别信息，帧头和帧尾均设置空闲时间来划分帧，时间控制在3.5个字节以上；

在WinProladder软件编程中，FUN150（MODBUS）指令用于永宏PLC（主站）以ModBus通讯协议与从站联机通讯，本文FUN150（MODBUS）指令的具体参数如图8设置。

（3）功能信息：依照功能代码表2，在主站中以1字节长度设定对从站的功能要求，从站据此动作并应答。若应答返回的是正常功能代码，说明通讯成功，若返回的是80H+错误代码，则通讯错误。

 

表2 功能代码表

  

功能码 功 能 码 意 义0x03 对变频器的功能码参数和运行状态参数进行读取0x06 对单个变频器功能码或控制参数进行改写，掉电不保存0x08 线路诊断0x10 对多个变频器功能码或控制参数进行改写，掉电不保存0x41 对单个变频器功能码或控制参数进行写操作，并且存储到非易失性存储单元中0x42 管理功能码

（4）数据信息：以字或者字节为单位（与功能码有关），存取寄存器内容等。

采用自制满意度调查问卷，观察项目包括术前准备、专业操作、用药指导、健康宣教等，每个项目后有3个选项，分别为非常满意、一般、不满意，满意度=(非常满意＋一般)/总例数×100.00%。

（5）错误校验信息：采用循环冗余校验CRC方式校验错误信息。在发送端按一定算法计算并附加2个字节CRC值在信息帧最后（低字节前高字节后），在接收端按同一算法再次计算CRC值。两个CRC值相等通讯成功，否则出错。

这里结合本设备的实际应用，说明几个常用的信息帧（见表3至表6）：

（1）读取GK600变频器（站号2）的当前运行频率。当前运行频率的保存地址为0x6301。若此时变频器运行频率为 50.00 Hz（化为 5000，即 0x1388）。

 

表3 读GK600变频器请求帧

  

地址 功能码 开始地址高位低位读取个数高位低位错误校验低位 高位2 03 63 01 00 01 25 CA

 

表4 读GK600变频器响应帧

  

地址 功能码 应答字节数（读取个数2倍）读取数据高位低位错误校验低位高位2 03 00 02 13 88 B5 12

（2）改写GK600变频器（站号2）的运行频率为60 Hz。主频率给定的保存地址为0x6203。若给定变频器运行频率为 60.00 Hz（化为 6000，即 0x1770）。

 

表5 写GK600变频器请求帧

  

地址 功能码 开始地址高位低位写入数据高位低位错误校验低位高位2 06 62 03 17 70 45 B1

 

表6 写GK600变频器响应帧

  

地址 功能码 开始地址高位低位写入数据高位低位错误校验低位高位2 06 62 03 17 70 50 BE

2.4 Modbus RTU通讯变频调速的原理

采用SPSS 19.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

 

其中，n—异步电动机转速，n1—同步转速，s—异步电动机的转差率，f—异步电动机定子电源频率，p—异步电动机的磁极对数。

由公式（1）可知，转速n与频率f成正比关系，即通过改变输入电源频率可实现脱油电机的无极调速。真空低温油炸过程中，变频器频率设置小则脱油电机低速旋转，搅动炸油，使油温热量均匀，也使炸品受离心力松散不粘结成块；当油炸时间到，炸油自动导入低位油罐后，变频器频率自动设置大，脱油电机高速旋转，离心脱油，起到降低含油量的作用。这一设置优化了原有真空低温油炸控制系统，对制品的品质改善起到重要的作用。

为了应对采购工作的繁杂性，企业应尽可能引入合适的ERP软件系统提升管理工作的效率和有效性。通过ERP系统，可以对订单资需求、物资入库、生产物料损耗、物资库存等信息准确把握，便于采购部门及时有效制定采购计划，同时由于信息更新及时、数据准确容易获取，可以明显减少采购物资与需求之间不匹配情况的出现频率，从而降低采购成本，提高采购效率。

3 基于Modbus RTU通讯协议的电气配置与接线

基于Modbus RTU通讯协议的电气配置与接线如图4所示，由永宏FBs-60MAPLC、永宏FBs-CB5通讯模块、吉泰科公司的GK600-4T11G型变频器构成。以永宏PLC为主站，通过通讯模块的RS-485通讯口，用屏蔽双绞线连接到从站GK600变频器内置的RS-485接口上（屏蔽双绞线采用两线制接线，两端接地），这样便构成了Modbus RTU协议通讯的物理通道，如图4所示。

  

图4 PLC与变频器间的Modbus协议通讯组成

4 基于Modbus RTU通讯协议的通讯设定和软件实现

根据控制要求，变频器实时采集脱油电机的转速，通过Modbus RTU协议把数据传输给PLC控制器；PLC控制器对检测值进行分析判断，把判断结果反馈给变频器调速，并通过永宏通讯协议通讯传输给上位机，在触摸屏上显示数据。这里一方面在变频器上设置好Modbus RTU协议的通讯参数和其他相关参数，一方面要把包含Modbus RTU通讯程序在内控制程序加载到PLC当中，即可实现二者的串行通讯。

4.1 GK600变频器的通讯设定

根据GK600变频器手册设定具体参数如表7，参数的设置在操作面板上完成。GK600变频器根据功能分为 A0～A1、B0～B2、C0～C4、D0～D5、E0～E1、F0～F3、H0、L0～L1、U0～U1 9 个功能码组，均采用“功能码组号+功能码子组号+功能码号”的方式标识，显示结构采用二级结构［5］。

综上所述，通过Modbus RTU信息帧的改变可实现PLC控制器与变频器之间频率参数的读取与改写。而由异步电动机转速公式：

 

表7 变频器参数设置表

  

功能码 名称 设定值 含 义B0-00 频率给定方式 0 频率主给定：变频器的频率给定由B0-01频率主给定方式决定B0-01 频率主给定方式 9 通讯输入：变频器当前主给定频率由上位机设置B1-00 运行命令给定方式 1 端子控制：由开关量输入端子进行运行命令控制。通过开关量输入端子控制正转或反转B1-13 停机方式 1 自由停车：停机命令控制变频器即刻终断输出，电机依机械惯性自由停止。C0-01 端子X1功能选择 3 开关量输入控制：3为正转运行个位：1 通讯波特率选择为9600 bps，十位：1 通讯格式设置为起始位1位、数据位8位、停止位1位，RTU格式，偶校验百位：0 接线方式设置为直接电缆连接（232／485）H0-02 485端口通讯的本机地址 2 PLC站号为1，变频器站号为2；H0-01 485通讯端口配置

4.2 FBs-60MA PLC 的通讯设定

PLC的参数设置在软件WinProLadder中完成。打开WinProLadder软件，在工程窗口的任务栏中点击“PLC”，选择“设定”子菜单设置串行通讯参数［6］，如图6所示，即PLC 站号为“1”，通讯口为“Port2”，通讯协议为“ModBus RTU”，波特率为9600 bps，偶校验，数据长度为8，停止位1位。

  

图6 PLC通讯参数设置

4.3 软件实现

为了实现PLC控制脱油电机变频器，必须主站、从站双方“硬件设置”“软件设置”“通讯参数”都能相互匹配［7］，变频器通讯控制程序流程图如图7所示。本文采用的是永宏公司开发的WinProladder软件编程。该软件编程采用的是梯形图语言编程，性能稳定，操作简单，模块化的温度检测、高速计数、通讯等特色功能。

  

图7 PLC与变频器的通讯控制程序设计流程图

（2）地址信息：通讯时要保证从站能够顺利接收主站指令执行指定功能，并反馈信号，这需要在主站中设置从站地址信息，设定值在1-247中。

（5）冷却装置：包括冷凝器、冷却塔、冷水泵，将真空泵抽出的高温水蒸汽冷却，冷却水回到水池循环利用。

  

图8 FUN150（MODBUS）指令实例图

Pt端口用于指定Modbus通讯协议数据传输的通讯端口，程序中使用port2。

深入分析上述用户需求调研结果，可以看出，“一般学科”的资源保障相对较弱，学科用户需求依然集中在与科学研究密切相关的学术型电子资源方面；而“高峰”“高原”学科作为学校的重点学科，形成了文献类型丰富、系统全面的资源体系，但结合当前“双一流”的建设目标，对评估型资源或新兴资源有迫切需求。因此，一方面，要构建以研究型文献为主体的多级学科资源保障体系；另一方面，针对不同层次的学科，需要形成不同的资源保障策略与建设思路。

SR端口用于指定Modbus通讯程序（数据传输表格）的起始缓存器，程序中设置为D200。

WR端口用于指定运作的起始缓存器，存储指令运作状态，程序中设置为D200。

Modbus通讯协议是于1979年由Modicon公司（现为施耐德电气公司的品牌之一）开发完成，主要包含RTU、ASCII和TCP这3种通信方式，协议物理层可以是RS232、RS422、RS485或者TCP。该协议因其简单易懂、兼容度高、可靠性好等优点被诸多工业控制器的厂商（如PLC、工控机、变频器、智能仪表等）采用，在工业控制领域有着极为广泛的应用［3］。本文采用Modbus-RTU通讯方式，波特率相同的前提下，该方式的传输速率高，传输数据量大、抗干扰能力强，更适用于复杂的工业控制现场。

随着经济条件和市场环境的改变，传统的价格干预型的财税优惠政策已经退出历史舞台。面对目前普遍存在的化肥产能过剩的局面，短期内仅仅依靠市场调控加以解决是不现实的，政府应该在充分尊重市场原则的前提下，适当加以引导。现阶段，政府对化肥产业加以干预矫正的方式应该重在鼓励创新、培育市场。相应的财税优惠政策手段也应该更加注重服务性和功能性。

（2）真空泵：采用水力喷射真空泵。油炸过程产生的水蒸汽随管道被真空泵抽走，并直接冷却，以保证油炸锅真空度与温度恒定。

在程序编写时，FUN150（MODBUS）指令可通过填表格或者程序书写的方式来规划数据流控制（双向控制，即从到主或主到从）。本文中采用的是编辑通讯表格的方式来实现通讯。在项目窗口中点选ModBus Master：专案名称—表格编辑—ModBus Master表格，右键单击点选“新增表格”。在“表格编辑”界面里，表格类别固定为ModBus Master；表格名称可为联机表格输入容易识别的，此处为Table2；表格起始位置：FUN150（MODBUS）指令所用的数据传输表格起始缓存器SR的起始位置，设置为D200。具体设置过程如图9所示。

2) 高压油泵等高压燃油系统泄漏引起燃油喷射压力降低，喷入缸内燃油量减少，前期燃烧放热量下降，燃烧爆压降低，膨胀冲程压力曲线下移，影响柴油机的做功性能和工作平稳性。

  

图9 通讯表格参数设置

图9中，从站数据起始位置即变频器Modbus寄存器地址，编程时需要对该地址进行修正计算，修正公式为：

变频器Modbus寄存器地址（十进制）＝寄存器地址（十进制）+400001。

如本文变频器运行频率的寄存器地址为0x6203，对应十进制25091，根据公式修正为25091+400001＝425092，故425092为变频器Modbus寄存器地址，即从站数据起始位置。

5 结束语

本文简要介绍了真空低温油炸设备控制系统的总体框架，主要研究了Modbus RTU通讯协议针对物料粘结成块、受热不均、含油量高等问题的具体解决方案，并在龙岩连城的某食品加工厂安装使用，已达到生产能力技术指标如表8所示。生产实践表明，该方案已满足真空低温油炸食品的加工要求，优化并改进了传统油炸加工技术的诸多不足，在一定的程度上提高了生产效率以及产品质量的合格率，运行高效、稳定、安全。

除了焚烧系统之外，水泥窑系统处置废弃物还需要加设旁路防风系统。旁路放风系统设计是为了去除由原、燃料或由协同处置城乡生活垃圾过程中进入水泥生产系统的钾、钠、氯、硫等有害组分。将高温气体从系统中抽出，经过冷却降温之后，通过旋风除尘器将粗颗粒分离回送并继续处理，从而减少金属离子颗粒等的排放量，并阻止过量粉尘进入到大气中。

 

表8 本系统的生产能力技术指标

  

生产能力／（kg·h-1）油炸温度／（℃）极限真空度／MPa处理时间／min产品含水量／%产品含油量／%50 110±3 0.013 约30 ≤3 约16

参考文献：

［1］钮福祥，王红杰，徐飞，等.果蔬真空油炸脱水技术研究及果蔬脆片产业发展概况［J］.中国食物与营养，2012，18（2）：24-29.

［2］谢育金.真空低温油炸技术及在果蔬加工保存上的应用研究［D］.汕头：汕头大学，2014.

［3］刘晓燕.变频器的通信控制方案研究［J］.统计与管理，2013，23（1）：67-72.

［4］谷国富，李梦辉，史书伟，等.基于 Modbus协议的棉花加工测控系统设计［J］.湖北农业科学，2016，35（11）：2914-2916.

［5］江苏吉泰科电气股份有限公司.GK600变频器说明书［Z］.2011.

在小学阶段，为了提升学生的兴趣，课堂上往往充满了英语歌曲学习、对话表演和游戏等环节，学生可以在轻松的氛围下接受老师层层引导传输的知识点。但在初中阶段，由于教学内容更多，往往会以课文学习、语法讲解、课堂练习题为主，教学气氛更加严肃。

［6］杨先龙.钢轨粗磨机变频PLC控制系统的设计［D］.成都：西南交通大学，2014.

［7］向阳，徐景涛，董鹏永.基于 MODBUS 协议的 CRC 编码研究［J］.太原科技，2007， 29（9）：40-43.