變頻器與主設(shè)備串行通訊方式及其程序設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

變頻器與主設(shè)備串行通訊方式及其程序設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘要：本文以三菱E700變頻器為例，介紹了變頻器作為從設(shè)備與PC、PLC、HMI等主設(shè)備之間的通訊實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在分析了計(jì)算機(jī)鏈接協(xié)議、MODBUS-RTU的概念和信息格式基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了各種串行通信的控制系統(tǒng)。為技術(shù)人員全面理解、掌握目前變頻器的串行通信提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻器;串行通訊;變頻器;Modbus-RTU

Absrtact：takingMitsubishiE700inverterasanexample，thispaperintroducestherealizationprocessofcommunicationbetweenslaveequipmentandmainequipmentsuchasPC，PLC，HMI.Basedontheanalysisofthecomputerlinkprotocol，theconceptofMODBUS-RTUandtheinformationformat，variousserialcommunicationcontrolsystemsaredesigned.Itprovidesareferencefortechnicianstounderstandandmastertheserialcommunicationofcurrentfrequencyconverter.

Keywords：inverter

serialcommunication

Modbus-RTU

0引言

現(xiàn)在變頻器的控制方法大約可分為3種：外部端子控制、模擬量控制和通信控制。

外部端子控制接線(xiàn)多，可控速度固定，不能根據(jù)反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。模擬量控制易受干擾，控制距離不長(zhǎng)。而通信控制就沒(méi)有這些問(wèn)題。簡(jiǎn)單的接線(xiàn)，就可以同時(shí)使用一臺(tái)設(shè)備控制多臺(tái)變頻器，還可以實(shí)時(shí)采集變頻器的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在如今，這種控制方式已經(jīng)逐漸成為主流。

三菱E700變頻器通過(guò)自帶的PU接口與主設(shè)備實(shí)現(xiàn)串行通信。本文從系統(tǒng)硬件連接，各器件的參數(shù)設(shè)置以及程序編寫(xiě)等方面，全面講解變頻器與主設(shè)備間串行通信方式實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

1.通信方式與通信協(xié)議

1.1.通信方式：設(shè)備間的基本通信方式有串行通信和并行通信兩種，串行通信又分為異步通信和同步通信兩種方式。本文所介紹的變頻器與主設(shè)備的通信方式屬于串行異步半雙工通信。

1.2.通信協(xié)議：三菱變頻器的PU接口是一個(gè)4線(xiàn)制的485通信口，PU端口各引腳定義見(jiàn)圖1。E700的PU接口支持計(jì)算機(jī)鏈接和Modbus-RTU兩種協(xié)議。變頻器使用PU接口與主設(shè)備通訊時(shí)，要求主設(shè)備硬件上配有485接口。

1.2.1計(jì)算機(jī)鏈接

計(jì)算機(jī)鏈接協(xié)議是三菱公司為了解決計(jì)算機(jī)與FX系列PLC子站間通信問(wèn)題而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用協(xié)議集，該協(xié)議集是一種典型的面向字符的命令響應(yīng)型通信協(xié)議。[5]

1.2.2Modbus-RTU協(xié)議

Modbus協(xié)議可分為ModbusASCII和Modbus-RTU兩種，它是Modicon公司為PLC上的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議。Modbus協(xié)議使用專(zhuān)用的信息幀，在主設(shè)備與從設(shè)備間進(jìn)行串行通訊。專(zhuān)用的信息幀具有能讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的功能，使用這一功能可以從變頻器讀取或?qū)懭雲(yún)?shù)、寫(xiě)入變頻器的輸入指令以及確認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)等。[6]

1.3E700與PC的計(jì)算機(jī)鏈接通信的實(shí)現(xiàn)

1.3.1硬件連接

將需要通信設(shè)備的通信口先連接起來(lái)。通用的PC串口需要使用轉(zhuǎn)換器將RS232轉(zhuǎn)為485接口。可以使用RS-232/RS-485無(wú)源轉(zhuǎn)換器來(lái)連接PC的串口和變頻器的PU口。

1.3.2參數(shù)設(shè)置

根據(jù)PC各個(gè)引腳的定義正確連接后，需要在兩臺(tái)設(shè)備上設(shè)置通信的速率和格式。在Windows操作系統(tǒng)中，可以在設(shè)備管理器中修改端口選項(xiàng)中用到的通信端口的屬性，將參數(shù)設(shè)置的和變頻器端一樣。變頻器端通過(guò)設(shè)置Pr.117～Pr.124來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]（具體參數(shù)對(duì)照變頻器手冊(cè)）將參數(shù)設(shè)置的和PC端一樣。至此，PC和變頻器之間就能夠互相通信了。

設(shè)置Pr.549，將變頻器使用的協(xié)議設(shè)置為計(jì)算機(jī)鏈接協(xié)議。將變頻器設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)模式。

1.3.3報(bào)文格式

要控制變頻器，PC端必須發(fā)送符合計(jì)算機(jī)鏈接通信協(xié)議的報(bào)文給變頻器來(lái)進(jìn)行控制?？梢允褂密浖?lái)發(fā)送報(bào)文。報(bào)文的格式為：控制碼+從設(shè)備站號(hào)+命令代碼+等待時(shí)間+數(shù)據(jù)+求和校驗(yàn)碼[6]。變頻器收到正確的報(bào)文后，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后會(huì)發(fā)送一條報(bào)文來(lái)報(bào)告執(zhí)行的結(jié)果。更具返回的報(bào)文能知道執(zhí)行的結(jié)果或查詢(xún)的數(shù)據(jù)。返回的報(bào)文格式為：控制碼+從設(shè)備站號(hào)+讀取代碼+數(shù)據(jù)結(jié)束+求和校驗(yàn)代碼[6]。

1.3.4實(shí)現(xiàn)方式

使用友善串口調(diào)試助手進(jìn)行通信操作。打開(kāi)串口調(diào)試軟件，設(shè)置串口參數(shù)，選擇Hex模式，點(diǎn)擊打開(kāi)串口，發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)“053031666132323931”，如圖2。變頻器執(zhí)行正轉(zhuǎn)高速。

1.4E700與PLC的Modbus-RTU通信的實(shí)現(xiàn)

1.4.1硬件連接

本次使用的是FX3UPLC，需安裝一塊FX3U-485-BD模塊。將變頻器的PU口與通訊模塊連接，完成硬件接線(xiàn)。

1.4.2參數(shù)設(shè)置

變頻器與PLC需設(shè)置相同的傳輸速率，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，奇偶校驗(yàn)以及停止位。PLC側(cè)選擇為無(wú)協(xié)議通訊，變頻器通過(guò)修改Pr.549更改為Modbus-RTU協(xié)議。最后將變頻器更改為網(wǎng)絡(luò)模式。

1.4.3程序編寫(xiě)

程序方面使用串行數(shù)據(jù)傳送指令RS2指令。如圖3。

該指令是用于通過(guò)安裝在基本單元上的RS-485串行通訊口進(jìn)行無(wú)協(xié)議通訊，從而執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的指令。其中指的是：保存發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器的起始軟元件;m指的是：發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)（設(shè)定范圍：0～4096）;指的是：數(shù)據(jù)接收結(jié)束時(shí)，保存接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器的起始軟元件;n指的是：接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)（設(shè)定范圍：0～4096）。n1指的是：使用通道編號(hào)（設(shè)定內(nèi)容：K0：通道0、K1：通道1、K2：通道2）。[7]

報(bào)文的格式為：地址區(qū)域+功能區(qū)域+數(shù)據(jù)區(qū)域+錯(cuò)誤校驗(yàn)區(qū)域。程序如圖4。

程序中的16進(jìn)制數(shù)需從低位至高位來(lái)看，將D0至D2中的數(shù)據(jù)解析為：010600010001，從左往后逐個(gè)解讀：01是從設(shè)備地址，06是寫(xiě)入功能代碼，0001是變頻器Modbus寄存器，0001是向寄存器中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。以上程序是讓變頻器執(zhí)行復(fù)位操作。

1.5E700與HMI的Modbus-RTU通信的實(shí)現(xiàn)

1.5.1硬件連接

本次使用的是昆侖通態(tài)的MCGS觸摸屏。需要自制一根9針D型母頭轉(zhuǎn)RS485的通訊線(xiàn)，方便與變頻器PU端連接。DB9針母頭轉(zhuǎn)RS485接線(xiàn)圖如圖5。

1.5.1組態(tài)與參數(shù)

觸摸屏設(shè)備組態(tài)選擇：通用串口父設(shè)備→莫迪康ModbusRTU。

變頻器與觸摸屏需設(shè)置相同的通訊波特率，數(shù)據(jù)位位數(shù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式以及停止位位數(shù)。變頻器通過(guò)修改Pr549更改為Modbus-RTU協(xié)議。最后將變頻器更改為網(wǎng)絡(luò)模式。

1.5.2觸摸屏調(diào)試

觸摸屏動(dòng)畫(huà)組態(tài)如圖6。

添加變頻器Modbus寄存器40009，寫(xiě)入十進(jìn)制數(shù)10，變頻器執(zhí)行正轉(zhuǎn)、高速指令。

2.延伸

在以上的實(shí)驗(yàn)中，調(diào)試可得知變頻器作為從設(shè)備是不會(huì)主動(dòng)向主設(shè)備PLC發(fā)送信息，屬于半雙工的傳送方式。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明由主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求給從設(shè)備，從設(shè)備做出應(yīng)答，由此可得出是異步通信方式。

其實(shí)，本次的系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)不僅僅指限于本次使用型號(hào)的設(shè)備?？偨Y(jié)下來(lái)可以分為2層：硬件層和協(xié)議層。如果設(shè)備之間的硬件層相同，使用相同的協(xié)議，也可以進(jìn)行通信。比如三菱E700變頻器與觸摸屏通信、西門(mén)子S7200變頻器與PC通信，甚至變頻器與安卓手機(jī)通信。每家公司變頻器的協(xié)議并不相同，臺(tái)達(dá)變頻器使用的是M