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标题变频器的故障排除 第5讲 变频调速系统的通讯设计
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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: AC inverter is usually controlled by operator panel or control signal outside.
 But in practical applications, the communication between AC inverter and the controller
 is achieved by using the field bus. It means the controller can realize the communication
 using RS232/RS485 or the field bus. Therefore, communication of AC inverter can be 
considered in two different levels: 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

    现场总线（Fieldbus）是上世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

    一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

    现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有：FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。

2.1 现场总线的技术特点

    （1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

    （2）互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

    （3）现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

    （4）系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

    （5）对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

2.2 现场总线的优点

    由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

    （1）节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

    （2）节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

    （3）节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

    （4）用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

    （5）提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

2.3 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。

2.3.1 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。

2.3.2 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。

2.3.3 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。

2.3.4 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。

2.4 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：

2.4.1 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。

2.4.2 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。

2.4.3 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 （RemoteTerminal Unit）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奈德、ABB、安川等。



参考文献

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

[2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 北京: 电子工业出版社，2007.

[3] 张燕宾，胡纲衡，唐瑞球. 使用变频调速技术培训教程[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.

[4] 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册[M]. (第2版) 北京: 机械工业出版社，2003.

[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.