李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

摘要：通常變頻器控制由操作面板來(lái)完成，也可通過(guò)輸入外部的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而目前在實(shí)際的應(yīng)用中，變頻器與控制器之間更趨于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)總線通訊的方式而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，上位機(jī)可以通過(guò)RS232/RS485或現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)通訊。因此，變頻器的通訊設(shè)計(jì)通常是從兩個(gè)層面去考慮：即通用的RS232/485通訊和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。

關(guān)鍵詞：變頻器；控制方式；矢量控制；直接轉(zhuǎn)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(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的交流傳動(dòng)之中。通常變頻器控制由操作面板來(lái)完成，也可通過(guò)輸入外部的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而目前在實(shí)際的應(yīng)用中，變頻器與控制器之間更趨于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)總線通訊的方式而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，上位機(jī)可以通過(guò)RS232/RS485或現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)通訊。

    因此，變頻器的通訊設(shè)計(jì)通常是從兩個(gè)層面去考慮：即通用的RS232/485通訊和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。盡管現(xiàn)場(chǎng)總線與RS232/485在物理接口上存在類似的概念，但在本質(zhì)上是有區(qū)別的。

    以往，PC與智能設(shè)備通訊多借助RS232、RS485、以太網(wǎng)等方式，主要取決于設(shè)備的接口規(guī)范。但RS232/485只能代表通訊的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問(wèn)，就必須自己編寫通訊應(yīng)用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI的規(guī)范，只能實(shí)現(xiàn)較單一的功能，適用于單一設(shè)備類型，程序不具備通用性。在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過(guò)2臺(tái)，就必須使用RS485做通訊介質(zhì)，RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過(guò)“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個(gè)主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備。而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測(cè)、鏈路維護(hù)等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備自動(dòng)成網(wǎng)，無(wú)主/從設(shè)備之分或允許多主存在。在同一個(gè)層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設(shè)備之間具有互操作性?，F(xiàn)場(chǎng)總線更是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)智能化設(shè)備。它由網(wǎng)絡(luò)通信、功能模塊、對(duì)象字典和設(shè)備描述、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是3C技術(shù)(computer、control、communication)，是從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)結(jié)果。

1 通用RS232/485的通訊設(shè)計(jì)

    在許多數(shù)控設(shè)備中，經(jīng)常要用變頻器去控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。在某些地方，需要用一臺(tái)工控PC機(jī)靈活地控制多臺(tái)變頻器，以達(dá)到控制各交流電機(jī)的目的。針對(duì)這一需要，一些公司（如美國(guó)的艾默生、德國(guó)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(qiáng)大功能。

1.1 艾默生變頻器的RS232/RS485通訊設(shè)計(jì)

1.1.1 組網(wǎng)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(wǎng)方式進(jìn)行通訊。方式一為單主機(jī)多從機(jī)方式，方式二為單主機(jī)單從機(jī)方式。主機(jī)可以選用個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程控制器、DCS；從機(jī)則指的是變頻器。

                                圖1   艾默生變頻器的通訊組網(wǎng)方式

1.1.2 通訊接口

    通訊接口一般包含接口方式、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式根據(jù)校驗(yàn)方式的不同可以分為無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)三種，其他則均為1位起始位、8位數(shù)據(jù)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(jiān)視從機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

    包括從機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：當(dāng)前運(yùn)行頻率、輸出電壓、輸出電流、無(wú)單位顯示量（運(yùn)行轉(zhuǎn)速）、運(yùn)行線速度、模擬閉環(huán)反饋、速度閉環(huán)反饋、外部計(jì)數(shù)值、輸出轉(zhuǎn)矩、供水變頻器的壓力反饋。

    從機(jī)運(yùn)行設(shè)定參數(shù)：當(dāng)前設(shè)定頻率、設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定線速度、模擬閉環(huán)設(shè)定、速度閉環(huán)設(shè)定、供水變頻器的壓力設(shè)定。

    從機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：I/O狀態(tài)、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、供水變頻器的外部端子狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)。

    （2）控制從機(jī)運(yùn)行

    開機(jī)、停機(jī)、點(diǎn)動(dòng)、故障復(fù)位、自由停車、緊急停車、設(shè)置當(dāng)前運(yùn)行頻率給定、設(shè)置當(dāng)前壓力指令。

    （3）讀取從機(jī)的功能碼參數(shù)值

    （4）設(shè)置從機(jī)的功能碼參數(shù)值

    （5）系統(tǒng)配置和查詢命令

    配置從機(jī)當(dāng)前運(yùn)行設(shè)置、查詢從機(jī)設(shè)備系列類型、輸入并驗(yàn)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(jī)，采用主機(jī)“輪詢”和從機(jī)“應(yīng)答”的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。主機(jī)使用廣播地址發(fā)送命令時(shí)，從機(jī)不允許應(yīng)答。

    （2）從機(jī)在最近一次對(duì)主機(jī)輪詢的應(yīng)答幀中上報(bào)當(dāng)前故障信息。

1.1.5 協(xié)議格式

    格式如圖2所示：

                                 圖2   艾默生變頻器的通訊協(xié)議格式

    艾默生變頻器的合法幀長(zhǎng)統(tǒng)一為14或18字節(jié)，響應(yīng)中也有個(gè)別信息為10個(gè)字節(jié)，如數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)或數(shù)據(jù)超限時(shí)，響應(yīng)幀長(zhǎng)為10字節(jié)。

1.2 西門子變頻器的RS485通訊設(shè)計(jì)

1.2.1 USS通訊特點(diǎn)

    USS是西門子公司為變頻調(diào)速器開發(fā)的串口通訊協(xié)議，可支持變頻調(diào)速器同主機(jī)（PC或PLC）之間建立通訊聯(lián)接，常常適用于規(guī)模較小的自動(dòng)化系統(tǒng)。

    這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

    （1）用單一的、完全集成的系統(tǒng)來(lái)解決自動(dòng)化問(wèn)題。所有的西門子交流調(diào)速器都可采用USS協(xié)議作為通信鏈路。

    （2）數(shù)字化的信息傳遞，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平及運(yùn)行的可靠性，解決了模擬信號(hào)傳輸所引起的干擾及漂移問(wèn)題。

    （3）其通信介質(zhì)采用RS485屏蔽雙絞線，最遠(yuǎn)可達(dá)1000米，因此可有效地減少電纜的數(shù)量，從而可以大大減少開發(fā)和工程費(fèi)用，并極大地降低客戶的啟動(dòng)和維護(hù)成本。

    （4）通訊速率較高，可達(dá)187.5Kbps。對(duì)于有十個(gè)調(diào)速器，每個(gè)調(diào)速器有六個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)需刷新的系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)為單主站、主從存取方式。報(bào)文結(jié)構(gòu)具有參數(shù)數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)，前者用于改變變頻調(diào)速器的參數(shù)，后者用于快速刷新變頻調(diào)速器的過(guò)程數(shù)據(jù)，如啟動(dòng)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(diào)速器的主機(jī)上大都提供USS接口，因此不需任何附加板，僅在上位機(jī)中插入一RS485通訊板或RS232/RS485接口卡，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器數(shù)據(jù)的存取。

    所以采用USS，就能以低廉的成本實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的自動(dòng)化系統(tǒng)。

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(biāo)準(zhǔn)的USS指令，采用RS485接口方式，通過(guò)PLC可以方便地控制和監(jiān)測(cè)Microaster變頻器的運(yùn)行和狀態(tài)。連接PLC和變頻器間的通訊電纜。需要注意的是，因?yàn)槭峭ㄓ?，所以連線時(shí)一定要注意動(dòng)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(diǎn)，否則會(huì)給通訊造成干擾，導(dǎo)致變頻器不能正常運(yùn)行。

    USS的報(bào)文格式為標(biāo)準(zhǔn)的異步11位格式：即1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊概述

    現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是上世紀(jì)80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國(guó)際上許多有實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn)：具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

    一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

    現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)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(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強(qiáng)實(shí)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(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

    （1）系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

    （2）互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。

    （3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

    （4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

    （5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

    由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

    （1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

    （2）節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

    （3）節(jié)省維護(hù)開銷。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

    （4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

    （5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)：減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 變頻器的現(xiàn)場(chǎng)總線適配器

    如果要連成一個(gè)變頻器組的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，那么總線適配器是必不可少的?，F(xiàn)在以艾默生變頻器的PROFIBUS總線適配器為例來(lái)介紹一下適配器的構(gòu)造和功能。

2.3.1 總線基本結(jié)構(gòu)

    艾默生變頻器PROFIBUS總線適配器為TDS-PA01，其基本結(jié)構(gòu)為如圖3所示。

                                     圖3   總線基本結(jié)構(gòu)

    它符合PROFIBUS-DP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)EN50170，并符合變速傳動(dòng)行規(guī)PROFIDRIVE（PROFIBUSFROFILE3.072）。

    它的特點(diǎn)為：與變頻器之間通訊采用RS485通信協(xié)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(xiàn)場(chǎng)總線適配器兼容所有支持PROFIBUSDP通訊協(xié)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(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中采用帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的變頻器；可以在原的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中用變頻器進(jìn)行設(shè)備升級(jí)和替換，如艾默生變頻器TD2000功能已經(jīng)不能傳動(dòng)控制的需要，則可以使用EV2000或TD3000變頻器，而無(wú)需改變系統(tǒng)的整體框架；可以借助現(xiàn)場(chǎng)總線適配器方便地將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)升級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，使得控制精度和控制決策更加先進(jìn)。

2.3.2 總線適配器的接線

    艾默生現(xiàn)場(chǎng)總線TDS-PA01分成兩部分的接線，即與變頻器的內(nèi)部接線和與總線網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS的接線。兩者的唯一區(qū)別就在于電源的接線，即采用外接法或內(nèi)置法，但必須注意變頻器內(nèi)部24V的容量。

    總線適配器與變頻器內(nèi)部接線建議采用屏蔽雙絞線，且屏蔽層接地；導(dǎo)線的長(zhǎng)短應(yīng)視變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的安裝距離由用戶自己確定，但長(zhǎng)度不能超出變頻器手冊(cè)中規(guī)定的RS485通訊距離。

    現(xiàn)場(chǎng)總線與適配器的連接如圖4所示。

                                    圖4   現(xiàn)場(chǎng)總線與PROFIBUS總線連接

    在總線網(wǎng)絡(luò)中，所用的PROFIBUS通訊導(dǎo)線類型及其傳輸距離請(qǐng)參照用戶手冊(cè)中的數(shù)據(jù)。

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)組構(gòu)和功能

    艾默生變頻器按照?qǐng)D5進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)總線組構(gòu)。

                                  圖5   艾默生變頻器網(wǎng)絡(luò)組構(gòu)

    在這個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)中，TDS-PA01總線適配器實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

    （1）向變頻器發(fā)送起停和點(diǎn)動(dòng)等控制命令；

    （2）向變頻器發(fā)送速度和頻率給定信號(hào)；

    （3）從變頻器讀取工作狀態(tài)信息和實(shí)際值；

    （4）修改變頻器的功能碼設(shè)置；

    （5）對(duì)變頻器進(jìn)行故障復(fù)位。

2.3.4 變頻器的參數(shù)設(shè)置和軟件配置

    完成對(duì)總線適配器的正確接線后，就必須對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括變頻器的通訊控制方式和通訊參數(shù)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(xié)議類型，以保持與主站的協(xié)調(diào)一致。

    任何一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線適配器都包含了電子數(shù)據(jù)庫(kù)文件，即GSD文件，用戶可以將此文件拷貝至組態(tài)工具軟件的相關(guān)子目錄下，具體操作方法可參見(jiàn)相關(guān)的主站說(shuō)明書。

2.4 常用的變頻器現(xiàn)場(chǎng)總線類型

    變頻器的現(xiàn)場(chǎng)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(guó)際性的開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本，其中PROFIBUS-DP是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接協(xié)議，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線，非常適合用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

    PROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)符合ISO的開放式系統(tǒng)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(xié)議結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行??？偩€存取協(xié)議在第2層即現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)，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(shù)，交換速度快，通信速率最高可達(dá)12Mbps，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纜。PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性較強(qiáng),數(shù)據(jù)通信速率在115Mbps時(shí)傳輸距離可達(dá)200m，數(shù)據(jù)通信速率在12Mbps時(shí)可達(dá)100m，還可通過(guò)中繼器增大傳輸距離。對(duì)于一個(gè)32站點(diǎn)的分布系統(tǒng)，對(duì)所有站點(diǎn)發(fā)送512bit的數(shù)據(jù)在12Mbps時(shí)只需2ms。

    PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)，這就為系統(tǒng)配置組態(tài)提供了高度的靈活性。系統(tǒng)配置的描述包括:站點(diǎn)數(shù)目、站點(diǎn)地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數(shù)。輸入和輸出信息量大小取決于設(shè)備形式，目前允許的輸入和輸出信息，最多不超過(guò)246字節(jié)。單主站系統(tǒng)中，在總線系統(tǒng)操作階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站，單主站系統(tǒng)可獲得最短的總體循環(huán)時(shí)間。多主站配置中，總線上的主站與各自的從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)或是作為網(wǎng)上的附加配置和診斷設(shè)備，任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入輸出映象，但只有一個(gè)主站可對(duì)DP從站寫入輸出數(shù)據(jù)，多主站系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間要比單主站系統(tǒng)長(zhǎng)。

    目前大部分的變頻器都支持PROFIBUSDP協(xié)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(guó)羅克韋爾自動(dòng)化開發(fā)的、基于CANbus（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898）技術(shù)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，用于實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。它得到擁有310個(gè)會(huì)員公司的CIA(CANInAutomation)組織的支持，在工業(yè)中的應(yīng)用有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

    DeviceNet是用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(拖動(dòng)裝置、開關(guān)、I／0和人機(jī)界面等)與PLC之間的通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為125-500kb/s，傳輸距離最大500m，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)63個(gè)。它采用生產(chǎn)者／客戶(Producer/consumer)通信模式，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許在線組態(tài)和帶電插拔。它通過(guò)SCANport接口能與羅克韋爾自動(dòng)化的各種拖動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中控制、智能保護(hù)和參數(shù)在線優(yōu)化，可以滿足全數(shù)字化拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)快速時(shí)間響應(yīng)的要求，可應(yīng)用于大型立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、港口、礦井和供水等重要場(chǎng)合。

    DeviceNet作為設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)控制層網(wǎng)絡(luò)ControlNet和信息層網(wǎng)絡(luò)Ethernet與Intemet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成微軟公司的基于Intemet的分布式制造網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(DNA)，實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控和診斷功能。

    DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并于2004年4月1日開始實(shí)施。

    目前相當(dāng)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(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議，從其功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線。它通過(guò)24種總線命令實(shí)現(xiàn)PLC與外界的信息交換。具有MODBUS接口的PLC可以很方便的進(jìn)行組態(tài)。MODBUS傳輸協(xié)議定義了控制器可以識(shí)別和使用的信息結(jié)構(gòu)，而不須考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它定義了各種數(shù)據(jù)幀格式，描述了控制器訪問(wèn)另一設(shè)備的過(guò)程，怎樣作出應(yīng)答響應(yīng)，以及可檢查和報(bào)告的錯(cuò)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(shù)字量，以MSB在先的形式傳送模擬量。MODBUS把通信參與者規(guī)定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。主站可向多個(gè)從站發(fā)送通信請(qǐng)求，最多可達(dá)247個(gè)從站。每個(gè)從站都有自己的地址編號(hào)。MODBUS的RTU方式規(guī)定通信字符串的最后兩個(gè)字節(jié)用于傳遞循環(huán)冗余校驗(yàn)數(shù)據(jù)。其校驗(yàn)方式是將整個(gè)字符串（不包括最后兩個(gè)字節(jié)）的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行XOR（異或）計(jì)算。接收方在收到該字符串時(shí)按同樣的方式進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果同收到的循環(huán)冗余校驗(yàn)的兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較，如果一致則認(rèn)為通信正確，如果不一致，則認(rèn)為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯(cuò)誤應(yīng)答。MODBUS中RTU采用CRC-16的冗余校驗(yàn)方式。

    控制器與PLC之間通信的內(nèi)容包括主站對(duì)從站的讀取和寫入，MODBUS規(guī)定，只有主站具有主動(dòng)權(quán)，從站只能被動(dòng)的響應(yīng)，包括回答出錯(cuò)信息。

    支持MODBUS總線協(xié)議的變頻器主要有施奈德、ABB、安川等。



參考文獻(xiàn)

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社，2006.

[2] 李方園. 變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 張燕賓，胡綱衡，唐瑞球. 使用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] 吳忠智，吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊(cè)[M]. (第2版) 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[5] 吳忠智，黃立培，吳加林. 調(diào)速用變頻器及配套設(shè)備選用指南[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.