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案例详细
标题变频调速系统的设计与应用 第6讲 变频调速系统的通讯设计
技术领域
行业
简介 通常变频器控制由操作面板来完成，也可通过输入外部的控制信号来实现。而目前在实际的应用中，变频器与控制器之间更趋于通过现场实时总线通讯的方式而实现数据的交互，上位机可以通过RS232/RS485或现场总线实现通讯。因此，变频器的通讯设计通常是从两个层面去考虑：即通用的RS232/485通讯和现场总线通讯。
内容







李方园（1973-）

男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。


摘要：通常变频器控制由操作面板来完成，也可通过输入外部的控制信号来实现。而目前在实际的应用中，变频器
与控制器之间更趋于通过现场实时总线通讯的方式而实现数据的交互，上位机可以通过RS232/RS485或现场总线实现通讯。因此，变频器的通讯设计通常是从两个层面去考虑：即通用的RS232/485通讯和现场总线通讯。

关键词：变频器；控制方式；矢量控制；直接转矩控制

Abstract: Normally AC inverter is controlled by operator panel or outside terminal. However,
 in the practical applications, the data communication between AC inverter and the controller
 is achieved by using the data bus. That means the controller can realize the communication 
using RS232/RS485 or the field bus. This paper will describe the following consideration, 
all-purpose RS232/RS485 and the field bus.

Key words: AC inverter; control method; vector control; DTC control

    变频器被广泛应用于工业控制现场的交流传动之中。通常变频器控制由操作面板来完成，也可通过输入外部的控制信号来实现。而目前在实际的应用中，变频器与控制器之间更趋于通过现场实时总线通讯的方式而实现数据的交互，上位机可以通过RS232/RS485或现场总线实现通讯。

    因此，变频器的通讯设计通常是从两个层面去考虑：即通用的RS232/485通讯和现场总线通讯。尽管现场总线与RS232/485在物理接口上存在类似的概念，但在本质上是有区别的。

    以往，PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS232/485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自动成网，无主/从设备之分或允许多主存在。在同一个层次上不同厂家的产品可以互换，设备之间具有互操作性。现场总线更是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备。它由网络通信、功能模块、对象字典和设备描述、网络管理、系统管理等部分组成。现场总线技术是3C技术(computer、control、communication)，是从控制层发展到工艺设备现场的技术结果。

1  通用RS232/485的通讯设计

    在许多数控设备中，经常要用变频器去控制交流电机的转速、转向。在某些地方，需要用一台工控PC机灵活地控制多台变频器，以达到控制各交流电机的目的。针对这一需要，一些公司（如美国的艾默生、德国的西门子、日本三菱等公司）推出了带有RS232/RS485通信接口的变频器，使用户能够方便灵活地选择变频器的强大功能。

1.1  艾默生变频器的RS232/RS485通讯设计

1.1.1组网方式

    艾默生变频器TD1000、TD2000、TD2100、EV1000、EV2000的变频器都可以采取如图1所示的组网方式进行通讯。方式一为单主机多从机方式，方式二为单主机单从机方式。主机可以选用个人计算机、可编程控制器、DCS；从机则指的是变频器。

                            图1   艾默生变频器的通讯组网方式

1.1.2通讯接口

    通讯接口一般包含接口方式、数据格式和波特率三种。

    艾默生变频器的接口方式为RS485接口，且为异步半双工。数据格式根据校验方式的不同可以分为无校验、奇校验和偶校验三种，其他则均为1位起始位、8位数据位和1位停止位。波特率可以包括300bps到38400bps之间的一种。

1.1.3功能定义

    （1）监视从机运行状态

    包括从机的运行参数：当前运行频率、输出电压、输出电流、无单位显示量（运行转速）、运行线速度、模拟闭环反馈、速度闭环反馈、外部计数值、输出转矩、供水变频器的压力反馈。

    从机运行设定参数：当前设定频率、设定转速、设定线速度、模拟闭环设定、速度闭环设定、供水变频器的压力设定。

    从机运行状态：I/O状态、当前运行状态、供水变频器的外部端子状态、报警状态。

    （2）控制从机运行

    开机、停机、点动、故障复位、自由停车、紧急停车、设置当前运行频率给定、设置当前压力指令。

    （3）读取从机的功能码参数值

    （4）设置从机的功能码参数值

    （5）系统配置和查询命令

    配置从机当前运行设置、查询从机设备系列类型、输入并验证用户密码。

1.1.4通信方式

    通信方式遵循以下原则：

    （1）变频器为从机，采用主机“轮询”和从机“应答”的点对点通信方式。主机使用广播地址发送命令时，从机不允许应答。

    （2）从机在最近一次对主机轮询的应答帧中上报当前故障信息。

1.1.5协议格式

格式如图2所示。

                            图2   艾默生变频器的通讯协议格式

    艾默生变频器的合法帧长统一为14或18字节，响应中也有个别信息为10个字节，如数据无效时或数据超限时，响应帧长为10字节。

1.2  西门子变频器的RS485通讯设计

1.2.1 USS通讯特点

    USS是西门子公司为变频调速器开发的串口通讯协议，可支持变频调速器同主机（PC或PLC）之间建立通讯联接，常常适用于规模较小的自动化系统。

    这种系统结构有以下特点：

    （1）用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子交流调速器都可采用USS协议作为通信链路。

    （2）数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。

    （3）其通信介质采用RS485屏蔽双绞线，最远可达1000米，因此可有效地减少电缆的数量，从而可以大大减少开发和工程费用，并极大地降低客户的启动和维护成本。

    （4）通讯速率较高，可达187.5Kbps。对于有十个调速器，每个调速器有六个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒。

    （5）它采用的操作模式为总线结构为单主站、主从存取方式。报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变变频调速器的参数，后者用于快速刷新变频调速器的过程数据，如启动停止、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性与可靠性。

    （6）西门子变频调速器的主机上大都提供USS接口，因此不需任何附加板，仅在上位机中插入一RS485通讯板或RS232/RS485接口卡，就可实现调速器数据的存取。

    所以采用USS，就能以低廉的成本实现一个小型的自动化系统。

1.2.2 S7-200与变频器的通讯

    S7－200控制西门子Micromaster变频器的标准的USS指令，采用RS485接口方式，通过PLC可以方便地控制和监测Microaster变频器的运行和状态。连接PLC和变频器间的通讯电缆。需要注意的是，因为是通讯，所以连线时一定要注意动力线和通讯线分开布线，并且通讯线要使用短而粗的屏蔽电缆，且屏蔽层要接到和变频器相同的接地点，否则会给通讯造成干扰，导致变频器不能正常运行。

    USS的报文格式为标准的异步11位格式：即1个起始位、8个数据位、1个偶校验位和1个停止位。

2  现场总线的通讯概述

2.1  常用的变频器现场总线类型

    变频器的现场总线类型主要包括了以下几种：

2.1.1 PROFIBUSDP总线

    PROFIBUS是ProcessFieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170欧洲标准。PROFIBUS已经广泛应用于过程自动化。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本，其中PROFIBUS-DP是经过优化的高速、廉价的通信连接协议，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线，非常适合用于分布式控制系统的高速数据传输。

    PROFIBUS-DP的协议结构符合ISO的开放式系统互连模型，只定义了其中的第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加描述。这种协议结构确保了数据传输的快速和有效。总线存取协议在第2层即现场总线数据链路层实现，包括主站之间的令牌传递方式和主站和从站之间的主从方式。PROFIBUS-DP采用RS-485传输技术，交换速度快,通信速率最高可达12Mbps，通信介质为屏蔽双绞线或光缆。PROFIBUS-DP实时性较强，数据通信速率在115Mbps时传输距离可达200m，数据通信速率在12Mbps时可达100m，还可通过中继器增大传输距离。对于一个32站点的分布系统，对所有站点发送512bit的数据在12Mbps时只需2ms。

    PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度的灵活性。系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输入输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。输入和输出信息量大小取决于设备形式，目前允许的输入和输出信息，最多不超过246字节。单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站，单主站系统可获得最短的总体循环时间。多主站配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或是作为网上的附加配置和诊断设备，任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映象，但只有一个主站可对DP从站写入输出数据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。

    目前大部分的变频器都支持PROFIBUSDP协议，且配置了专用的总线适配器，包括西门子、ABB、艾默生、AB等。

2.1.2 DeviceNet总线

    DeviceNet是美国罗克韦尔自动化开发的、基于CANbus(国际标准IS011898)技术的一种现场总线，用于实现低成本、高性能的设备层的网络互联。它得到拥有310个会员公司的CIA(CANInAutomation)组织的支持，在工业中的应用有很强的优势。

    DeviceNet是用于现场设备(拖动装置、开关、I/0和人机界面等)与PLC之间的通信网络，传输速率为125~500Kb/s，传输距离最大500m，最大节点数63个。它采用生产者/客户(Producer/consumer)通信模式，支持多种网络拓扑结构，允许在线组态和带电插拔。它通过SCANport接口能与罗克韦尔自动化的各种拖动系统联网，实现集中控制、智能保护和参数在线优化，可以满足全数字化拖动系统对电动机快速时间响应的要求，可应用于大型立体仓库、机场、港口、矿井和供水等重要场合。

    DeviceNet作为设备层网络，可以通过控制层网络ControlNet和信息层网络Ethernet与Intemet网络互联，构成微软公司的基于Intemet的分布式制造网络体系结构(DNA)，实现异地监控和诊断功能。

    DeviceNet现场总线技术已被批准为国家标准，并于2004年4月1日开始实施。

    目前相当一部分变频器均支持DeviceNet总线，如AB、OMRON、富士等。

2.1.3 ModBus总线

    MODBUS是MODICON公司为该公司生产的PLC设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种现场总线。它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。具有MODBUS接口的PLC可以很方便的进行组态。MODBUS传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不须考虑通信网络的拓扑结构。它定义了各种数据帧格式，描述了控制器访问另一设备的过程，怎样作出应答响应，以及可检查和报告的错误。

    MODBUS有两种传送方式，RTU（RemoteTerminalUnit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS以LSB在先的形式传送数字量，以MSB在先的形式传送模拟量。MODBUS把通信参与者规定为“主站”（MASTER）和“从站”（SLAVE）。主站可向多个从站发送通信请求，最多可达247个从站。每个从站都有自己的地址编号。MODBUS的RTU方式规定通信字符串的最后两个字节用于传递循环冗余校验数据。其校验方式是将整个字符串（不包括最后两个字节）的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR（异或）计算。接收方在收到该字符串时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的循环冗余校验的两个字节进行比较，如果一致则认为通信正确，如果不一致，则认为通信有误，从站将发送CRC错误应答。MODBUS中RTU采用CRC-16的冗余校验方式。

    控制器与PLC之间通信的内容包括主站对从站的读取和写入，MODBUS规定，只有主站具有主动权，从站只能被动的响应，包括回答出错信息。

    支持MODBUS总线协议的变频器主要有施耐德、ABB、安川等。

2.2  变频器的现场总线适配器

如果要连成一个变频器组的现场总线网络，那么总线适配器是必不可少的。现在以艾默生变频器的PROFIBUS总线适配器为例来介绍一下适配器的构造和功能。

2.2.1 总线基本结构

    艾默生变频器PROFIBUS总线适配器为TDS-PA01，其基本结构为如图3所示。

                            图3   总线基本结构

    它符合PROFIBUS-DP协议标准EN50170，并符合变速传动行规PROFIDRIVE（PROFIBUSFROFILE3.072）。

    它的特点为：与变频器之间通讯采用RS485通信协议；与变频器的物理接口为双绞线；与变频器之间的通信波特率从38.4Kbps到125Kbps；PROFIBUS接口为双绞线；PROFIBUS的最高波特率为6Mbps。

    现场总线适配器兼容所有支持PROFIBUSDP通讯协议的主站，例如西门子、MODICON、AB等系列PLC和各类主站插卡。

    使用该总线适配器，使得艾默生变频器可以在新的现场总线控制系统中采用带现场总线接口的变频器；可以在原有的现场总线系统中用变频器进行设备升级和替换，如艾默生变频器TD2000功能已经不能传动控制的需要，则可以使用EV2000或TD3000变频器，而无需改变系统的整体框架；可以借助现场总线适配器方便地将传统控制系统升级为现场总线控制系统，使得控制精度和控制决策更加先进。

2.2.2 总线适配器的接线

    艾默生现场总线TDS-PA01分成两部分的接线，即与变频器的内部接线和与总线网络PROFIBUS的接线。两者的唯一区别就在于电源的接线，即采用外接法或内置法，但必须注意变频器内部24V的容量。

    总线适配器与变频器内部接线建议采用屏蔽双绞线，且屏蔽层接地；导线的长短应视变频器与现场总线适配器的安装距离由用户自己确定，但长度不能超出变频器手册中规定的RS485通讯距离。

    现场总线与适配器的连接如图4所示。

                            图4   现场总线与PROFIBUS总线连接

    在总线网络中，所用的PROFIBUS通讯导线类型及其传输距离请参照用户手册中的数据。

2.2.3 现场总线的网络组构和功能

    艾默生变频器按照图5进行网络总线组构。

                            图5   艾默生变频器网络组构

    在这个总线网络中，TDS-PA01总线适配器实现的主要功能如下：

    （1）向变频器发送起停和点动等控制命令；

    （2）向变频器发送速度和频率给定信号；

    （3）从变频器读取工作状态信息和实际值；

    （4）修改变频器的功能码设置；

    （5）对变频器进行故障复位。

2.2.4 变频器的参数设置和软件配置

    完成对总线适配器的正确接线后，就必须对变频器的参数进行设置，主要包括变频器的通讯控制方式和通讯参数配置，前者主要包括频率控制方式和端子控制方式，后者主要包括通讯波特率、站地址和PPO协议类型，以保持与主站的协调一致。

    任何一个现场总线适配器都包含了电子数据库文件，即GSD文件，用户可以将此文件拷贝至组态工具软件的相关子目录下，具体操作方法可参见相关的主站说明书。


参考文献

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 北京: 北京中国电力出版社, 2006.

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[5] 吴忠智, 黄立培, 吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.