艾默生变频调速系统的通讯设计

1 引言
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rs-232/rs-485通讯和现场总线通讯。尽管现场总线与rs-232/rs-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rs-232、rs-485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但rs-232/rs-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rs-232或rs-485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用rs-485做通讯介质，rs-485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。

2 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。
2.1 艾默生变频器的rs-232/rs-485通讯设计
2.1.1 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

2.1.2 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rs-485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。
2.1.3 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。
2.1.4 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。
2.1.5 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。（信息来源：www.55dianzi.com）
2.2 西门子变频器的rs-485通讯设计
2.2.1 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rs-485屏蔽双绞线，最远可达1000m，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10个调速器，每个调速器有6个过程数据需刷新的系统，plc的典型扫描周期为几百ms。
（5）它采用的操作模式总线结构为单主站、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。
2.2.2 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rs-485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。

3 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。人们一般把上世纪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，它突破了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。

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