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李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：通常變頻器控制由操作面板來完成，也可通過輸入外部的控制信號來實現。而目前在實際的應用中，變頻器與控制器之間更趨于通過現場實時總線通訊的方式而實現數據的交互，上位機可以通過RS232/RS485或現場總線實現通訊。因此，變頻器的通訊設計通常是從兩個層面去考慮：即通用的RS232/485通訊和現場總線通訊。

關鍵詞：變頻器；控制方式；矢量控制；直接轉矩控制

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

    變頻器被廣泛應用于工業控制現場的交流傳動之中。通常變頻器控制由操作面板來完成，也可通過輸入外部的控制信號來實現。而目前在實際的應用中，變頻器與控制器之間更趨于通過現場實時總線通訊的方式而實現數據的交互，上位機可以通過RS232/RS485或現場總線實現通訊。

    因此，變頻器的通訊設計通常是從兩個層面去考慮：即通用的RS232/485通訊和現場總線通訊。盡管現場總線與RS232/485在物理接口上存在類似的概念，但在本質上是有區別的。

    以往，PC與智能設備通訊多借助RS232、RS485、以太網等方式，主要取決于設備的接口規范。但RS232/485只能代表通訊的物理介質層和鏈路層，如果要實現數據的雙向訪問，就必須自己編寫通訊應用程序，但這種程序多數都不能符合ISO/OSI的規范，只能實現較單一的功能，適用于單一設備類型，程序不具備通用性。在RS232或RS485設備聯成的設備網中，如果設備數量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質，RS485網的設備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉才能實現，這個主設備通常是PC，而這種設備網中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備。而現場總線技術是以ISO/OSI模型為基礎的，具有完整的軟件支持系統，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題。現場總線設備自動成網，無主/從設備之分或允許多主存在。在同一個層次上不同廠家的產品可以互換，設備之間具有互操作性?，F場總線更是一種計算機網絡,這個網絡上的每一個節點就是一個智能化設備。它由網絡通信、功能模塊、對象字典和設備描述、網絡管理、系統管理等部分組成。現場總線技術是3C技術(computer、control、communication)，是從控制層發展到工藝設備現場的技術結果。

1 通用RS232/485的通訊設計

    在許多數控設備中，經常要用變頻器去控制交流電機的轉速、轉向。在某些地方，需要用一臺工控PC機靈活地控制多臺變頻器，以達到控制各交流電機的目的。針對這一需要，一些公司（如美國的艾默生、德國的西門子、日本三菱等公司）推出了帶有RS232/RS485通信接口的變頻器，使用戶能夠方便靈活地選擇變頻器的強大功能。

1.1 艾默生變頻器的RS232/RS485通訊設計

1.1.1 組網方式

    艾默生變頻器TD1000、TD2000、TD2100、EV1000、EV2000的變頻器都可以采取如圖1所示的組網方式進行通訊。方式一為單主機多從機方式，方式二為單主機單從機方式。主機可以選用個人計算機、可編程控制器、DCS；從機則指的是變頻器。

                                圖1   艾默生變頻器的通訊組網方式

1.1.2 通訊接口

    通訊接口一般包含接口方式、數據格式和波特率三種。

    艾默生變頻器的接口方式為RS485接口，且為異步半雙工。數據格式根據校驗方式的不同可以分為無校驗、奇校驗和偶校驗三種，其他則均為1位起始位、8位數據位和1位停止位。波特率可以包括300bps到38400bps之間的一種。

1.1.3 功能定義

    （1）監視從機運行狀態

    包括從機的運行參數：當前運行頻率、輸出電壓、輸出電流、無單位顯示量（運行轉速）、運行線速度、模擬閉環反饋、速度閉環反饋、外部計數值、輸出轉矩、供水變頻器的壓力反饋。

    從機運行設定參數：當前設定頻率、設定轉速、設定線速度、模擬閉環設定、速度閉環設定、供水變頻器的壓力設定。

    從機運行狀態：I/O狀態、當前運行狀態、供水變頻器的外部端子狀態、報警狀態。

    （2）控制從機運行

    開機、停機、點動、故障復位、自由停車、緊急停車、設置當前運行頻率給定、設置當前壓力指令。

    （3）讀取從機的功能碼參數值

    （4）設置從機的功能碼參數值

    （5）系統配置和查詢命令

    配置從機當前運行設置、查詢從機設備系列類型、輸入并驗證用戶密碼。

1.1.4 通信方式

    通信方式遵循以下原則：

    （1）變頻器為從機，采用主機“輪詢”和從機“應答”的點對點通信方式。主機使用廣播地址發送命令時，從機不允許應答。

    （2）從機在最近一次對主機輪詢的應答幀中上報當前故障信息。

1.1.5 協議格式

    格式如圖2所示：

                                 圖2   艾默生變頻器的通訊協議格式

    艾默生變頻器的合法幀長統一為14或18字節，響應中也有個別信息為10個字節，如數據無效時或數據超限時，響應幀長為10字節。

1.2 西門子變頻器的RS485通訊設計

1.2.1 USS通訊特點

    USS是西門子公司為變頻調速器開發的串口通訊協議，可支持變頻調速器同主機（PC或PLC）之間建立通訊聯接，常常適用于規模較小的自動化系統。

    這種系統結構有以下特點：

    （1）用單一的、完全集成的系統來解決自動化問題。所有的西門子交流調速器都可采用USS協議作為通信鏈路。

    （2）數字化的信息傳遞，提高了系統的自動化水平及運行的可靠性，解決了模擬信號傳輸所引起的干擾及漂移問題。

    （3）其通信介質采用RS485屏蔽雙絞線，最遠可達1000米，因此可有效地減少電纜的數量，從而可以大大減少開發和工程費用，并極大地降低客戶的啟動和維護成本。

    （4）通訊速率較高，可達187.5Kbps。對于有十個調速器，每個調速器有六個過程數據需刷新的系統，PLC的典型掃描周期為幾百毫秒。

    （5）它采用的操作模式為總線結構為單主站、主從存取方式。報文結構具有參數數據與過程數據，前者用于改變變頻調速器的參數，后者用于快速刷新變頻調速器的過程數據，如啟動停止、速度給定、力矩給定等。具有極高的快速性與可靠性。

    （6）西門子變頻調速器的主機上大都提供USS接口，因此不需任何附加板，僅在上位機中插入一RS485通訊板或RS232/RS485接口卡，就可實現調速器數據的存取。

    所以采用USS，就能以低廉的成本實現一個小型的自動化系統。

1.2.2 S7-200與變頻器的通訊

    S7－200控制西門子Micromaster變頻器的標準的USS指令，采用RS485接口方式，通過PLC可以方便地控制和監測Microaster變頻器的運行和狀態。連接PLC和變頻器間的通訊電纜。需要注意的是，因為是通訊，所以連線時一定要注意動力線和通訊線分開布線，并且通訊線要使用短而粗的屏蔽電纜，且屏蔽層要接到和變頻器相同的接地點，否則會給通訊造成干擾，導致變頻器不能正常運行。

    USS的報文格式為標準的異步11位格式：即1個起始位、8個數據位、1個偶校驗位和1個停止位。

2 現場總線的通訊概述

    現場總線（Fieldbus）是上世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。國際上許多有實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網絡負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現場總線系統從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。

    一般把現場總線系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場?？梢哉f，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

    現場總線技術在歷經了群雄并起，分散割據的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統一的國際標準。其中有較強實力和影響的有：FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優勢。

2.1 現場總線的技術特點

    （1）系統的開放性。開放系統是指通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換，現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的，開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。

    （2）互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。

    （3）現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

    （4）系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。

    （5）對現場環境的適應性。工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

2.2 現場總線的優點

    由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。

    （1）節省硬件數量與投資。由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

    （2）節省安裝費用?，F場總線系統的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。

    （3）節省維護開銷。由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

    （4）用戶具有高度的系統集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

    （5）提高了系統的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。

2.3 變頻器的現場總線適配器

    如果要連成一個變頻器組的現場總線網絡，那么總線適配器是必不可少的。現在以艾默生變頻器的PROFIBUS總線適配器為例來介紹一下適配器的構造和功能。

2.3.1 總線基本結構

    艾默生變頻器PROFIBUS總線適配器為TDS-PA01，其基本結構為如圖3所示。

                                     圖3   總線基本結構

    它符合PROFIBUS-DP協議標準EN50170，并符合變速傳動行規PROFIDRIVE（PROFIBUSFROFILE3.072）。

    它的特點為：與變頻器之間通訊采用RS485通信協議；與變頻器的物理接口為雙絞線；與變頻器之間的通信波特率從38.4kbps到125kbps；PROFIBUS接口為雙絞線；PROFIBUS的最高波特率為6Mbps。

    現場總線適配器兼容所有支持PROFIBUSDP通訊協議的主站，例如西門子、MODICON、AB等系列PLC和各類主站插卡。

    使用該總線適配器，使得艾默生變頻器可以在新的現場總線控制系統中采用帶現場總線接口的變頻器；可以在原的現場總線系統中用變頻器進行設備升級和替換，如艾默生變頻器TD2000功能已經不能傳動控制的需要，則可以使用EV2000或TD3000變頻器，而無需改變系統的整體框架；可以借助現場總線適配器方便地將傳統控制系統升級為現場總線控制系統，使得控制精度和控制決策更加先進。

2.3.2 總線適配器的接線

    艾默生現場總線TDS-PA01分成兩部分的接線，即與變頻器的內部接線和與總線網絡PROFIBUS的接線。兩者的唯一區別就在于電源的接線，即采用外接法或內置法，但必須注意變頻器內部24V的容量。

    總線適配器與變頻器內部接線建議采用屏蔽雙絞線，且屏蔽層接地；導線的長短應視變頻器與現場總線適配器的安裝距離由用戶自己確定，但長度不能超出變頻器手冊中規定的RS485通訊距離。

    現場總線與適配器的連接如圖4所示。

                                    圖4   現場總線與PROFIBUS總線連接

    在總線網絡中，所用的PROFIBUS通訊導線類型及其傳輸距離請參照用戶手冊中的數據。

2.3.3 現場總線的網絡組構和功能

    艾默生變頻器按照圖5進行網絡總線組構。

                                  圖5   艾默生變頻器網絡組構

    在這個總線網絡中，TDS-PA01總線適配器實現的主要功能如下：

    （1）向變頻器發送起停和點動等控制命令；

    （2）向變頻器發送速度和頻率給定信號；

    （3）從變頻器讀取工作狀態信息和實際值；

    （4）修改變頻器的功能碼設置；

    （5）對變頻器進行故障復位。

2.3.4 變頻器的參數設置和軟件配置

    完成對總線適配器的正確接線后，就必須對變頻器的參數進行設置，主要包括變頻器的通訊控制方式和通訊參數配置，前者主要包括頻率控制方式和端子控制方式，后者主要包括通訊波特率、站地址和PPO協議類型，以保持與主站的協調一致。

    任何一個現場總線適配器都包含了電子數據庫文件，即GSD文件，用戶可以將此文件拷貝至組態工具軟件的相關子目錄下，具體操作方法可參見相關的主站說明書。

2.4 常用的變頻器現場總線類型

    變頻器的現場總線類型主要包括了以下幾種：

2.4.1 PROFIBUSDP總線

    PROFIBUS是ProcessFieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準，即EN50170歐洲標準。PROFIBUS已經廣泛應用于過程自動化。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA三個兼容版本，其中PROFIBUS-DP是經過優化的高速、廉價的通信連接協議，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線，非常適合用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

    PROFIBUS-DP的協議結構符合ISO的開放式系統互連模型,只定義了其中的第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加描述。這種協議結構確保了數據傳輸的快速和有效。總線存取協議在第2層即現場總線數據鏈路層實現，包括主站之間的令牌傳遞方式和主站和從站之間的主從方式。PROFIBUS-DP采用RS-485傳輸技術，交換速度快，通信速率最高可達12Mbps，通信介質為屏蔽雙絞線或光纜。PROFIBUS-DP實時性較強,數據通信速率在115Mbps時傳輸距離可達200m，數據通信速率在12Mbps時可達100m，還可通過中繼器增大傳輸距離。對于一個32站點的分布系統，對所有站點發送512bit的數據在12Mbps時只需2ms。

    PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統，這就為系統配置組態提供了高度的靈活性。系統配置的描述包括:站點數目、站點地址和輸入輸出數據的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數。輸入和輸出信息量大小取決于設備形式，目前允許的輸入和輸出信息，最多不超過246字節。單主站系統中，在總線系統操作階段，只有一個活動主站，單主站系統可獲得最短的總體循環時間。多主站配置中，總線上的主站與各自的從站構成相互獨立的子系統或是作為網上的附加配置和診斷設備，任何一個主站均可讀取DP從站的輸入輸出映象，但只有一個主站可對DP從站寫入輸出數據，多主站系統的循環時間要比單主站系統長。

    目前大部分的變頻器都支持PROFIBUSDP協議，且配置了專用的總線適配器，包括西門子、ABB、艾默生、AB等。

2.4.2 DeviceNet總線

    DeviceNet是美國羅克韋爾自動化開發的、基于CANbus（國際標準IS011898）技術的一種現場總線，用于實現低成本、高性能的設備層的網絡互聯。它得到擁有310個會員公司的CIA(CANInAutomation)組織的支持，在工業中的應用有很強的優勢。

    DeviceNet是用于現場設備(拖動裝置、開關、I／0和人機界面等)與PLC之間的通信網絡，傳輸速率為125-500kb/s，傳輸距離最大500m，最大節點數63個。它采用生產者／客戶(Producer/consumer)通信模式，支持多種網絡拓撲結構，允許在線組態和帶電插拔。它通過SCANport接口能與羅克韋爾自動化的各種拖動系統聯網，實現集中控制、智能保護和參數在線優化，可以滿足全數字化拖動系統對電動機快速時間響應的要求，可應用于大型立體倉庫、機場、港口、礦井和供水等重要場合。

    DeviceNet作為設備層網絡，可以通過控制層網絡ControlNet和信息層網絡Ethernet與Intemet網絡互聯，構成微軟公司的基于Intemet的分布式制造網絡體系結構(DNA)，實現異地監控和診斷功能。

    DeviceNet現場總線技術已被批準為國家標準，并于2004年4月1日開始實施。

    目前相當一部分變頻器均支持DeviceNet總線，如AB、OMRON、富士等。

2.4.3 ModBus總線

    MODBUS是MODICON公司為該公司生產的PLC設計的一種通信協議，從其功能上看，可以認為是一種現場總線。它通過24種總線命令實現PLC與外界的信息交換。具有MODBUS接口的PLC可以很方便的進行組態。MODBUS傳輸協議定義了控制器可以識別和使用的信息結構，而不須考慮通信網絡的拓撲結構。它定義了各種數據幀格式，描述了控制器訪問另一設備的過程，怎樣作出應答響應，以及可檢查和報告的錯誤。

    MODBUS有兩種傳送方式，RTU （RemoteTerminal Unit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS以LSB在先的形式傳送數字量，以MSB在先的形式傳送模擬量。MODBUS把通信參與者規定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。主站可向多個從站發送通信請求，最多可達247個從站。每個從站都有自己的地址編號。MODBUS的RTU方式規定通信字符串的最后兩個字節用于傳遞循環冗余校驗數據。其校驗方式是將整個字符串（不包括最后兩個字節）的所有字節按規定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算。接收方在收到該字符串時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的循環冗余校驗的兩個字節進行比較，如果一致則認為通信正確，如果不一致，則認為通信有誤，從站將發送CRC錯誤應答。MODBUS中RTU采用CRC-16的冗余校驗方式。

    控制器與PLC之間通信的內容包括主站對從站的讀取和寫入，MODBUS規定，只有主站具有主動權，從站只能被動的響應，包括回答出錯信息。

    支持MODBUS總線協議的變頻器主要有施奈德、ABB、安川等。



參考文獻

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