變頻器調(diào)速系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、作者：上海交通大學機電控制研究所 周國祥摘要：本文對MODBUS總線在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應用進行了探討。介紹了MODBUS通信協(xié)議的基本規(guī)范，簡述了電機控制系統(tǒng)中的變頻調(diào)速技術。以安川VS606-V7變頻器和單片機89S52為基礎，開發(fā)了基于MODBUS通信的變頻調(diào)速系統(tǒng)，并說明了該系統(tǒng)的硬件組成和相關軟件開發(fā)。關鍵詞：MODBUS 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)引言現(xiàn)代工業(yè)自動控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡化和開放式結構的方向發(fā)展。利用現(xiàn)場總線技術，將符合同一標準的各種智能設備統(tǒng)一起來，徹底實現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)的分散控制，將提高系統(tǒng)集成度和數(shù)據(jù)傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統(tǒng)抗干擾性能和擴展系統(tǒng)功能。在

2、設備的底層控制中，變頻調(diào)速已成為現(xiàn)代電機控制技術的重要發(fā)展方向。如果把總線通信與變頻控制技術統(tǒng)一起來，將推動交流電機群控技術以及設備遠程監(jiān)控技術的發(fā)展。MODBUS作為一種通用的現(xiàn)場總線，已經(jīng)得到很廣泛的應用，很多廠商的工控器、PLC、變頻器、智能I/O與A/D模塊具備MODBUS通訊接口。本文在闡述MODBUS通信協(xié)議的基礎上，構建了基于MODBUS的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并探討了該系統(tǒng)在月餅自動包陷生產(chǎn)線上的應用。1 MODBUS總線控系統(tǒng)的技術特征MODBUS通訊協(xié)議是一種工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質(zhì)，可以承載于多種網(wǎng)絡類型中。M

3、ODBUS協(xié)議把通信參與者規(guī)定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），數(shù)據(jù)和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準MODBUS網(wǎng)絡時，信息被直接傳送。MODBUS總線網(wǎng)絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發(fā)出請求，從站應答請求并送回數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。MODBUS協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規(guī)定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告?zhèn)鬏斿e誤等。網(wǎng)絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發(fā)出的命令。由于M

4、ODBUS總線系統(tǒng)開發(fā)成本低，簡單易用，并且現(xiàn)在已有很多工控器、PLC、變頻器、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經(jīng)成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產(chǎn)的控制設備連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。MODBUS最初為PLC通信而設計，它通過24種總線命令實現(xiàn)PLC與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數(shù)據(jù)傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。1.1 MODBUS通信格式MODBUS協(xié)議定義了兩種傳輸模式，即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU

5、模式中，1字節(jié)的信息作為一個8位字符被發(fā)送，而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發(fā)送，如發(fā)送字符“20”時，采用RTU模式時為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）?？梢姡l(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來說，數(shù)據(jù)量少而且主要是文本時采用ASCII；通信數(shù)據(jù)量大而且是二進制數(shù)值時，多采用RTU模式。主站一次可向一個或所有從站發(fā)送通信請求（或指令），主設備通過消息幀的地址域來選通從設備。主站發(fā)送的消息幀的內(nèi)容和順序為：從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)域（數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)

6、據(jù)內(nèi)容）、CRC校驗碼；從站應答的信息內(nèi)容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據(jù)錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數(shù)據(jù)內(nèi)容依據(jù)功能碼進行響應，例如功能代碼03要求讀取從站設備中保持寄存器的內(nèi)容。1.2 CRC校驗的實現(xiàn)MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個字節(jié)用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節(jié)的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續(xù)

7、的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節(jié)比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯誤應答。RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實現(xiàn)CRC校驗有兩種方法：根據(jù)CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現(xiàn)，這里需要使用CRC生成多項式X16X15X21。該多項式對應的碼組系數(shù)為18005H（16進制），去除最高位，對應的16位余數(shù)為8005H，即為CRC-16常數(shù)。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的

8、每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數(shù)據(jù)進行異或，結果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，而最低位（LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數(shù)進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數(shù)據(jù)異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。1.3 鏈路特征MODBUS標準的物理層可以采用RS-232串行通信方式，但在長距離通信中常采用R

9、S-422或RS-485代替。在多點通信情況下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系統(tǒng)采用屏蔽雙絞線，通信距離可達1000m。一條總線上最多可配置31個從站設備。傳輸線上的信息交換是半雙工的，即同時只能有一臺設備允許發(fā)送信息，主站在發(fā)送下一條指令之前等待從站回應，從而避免了線路的沖突。RTU模式的傳輸格式是1個數(shù)據(jù)位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。通信數(shù)據(jù)安全由控制參數(shù)CRC-16碼保證。RTU接收設備依靠接收字符間經(jīng)過的時間判斷一幀的開始，如果經(jīng)過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設備就會放棄該幀，并設下一個字符為新一幀的開始。1.4 MODBUS總線通信

10、的數(shù)據(jù)流程在采用MODBUS總線構建的SCADA系統(tǒng)中，主站和從站中的控制設備上都要實現(xiàn)MODBUS通信協(xié)議。主站控制器的通信協(xié)議實現(xiàn)過程可以表示為圖1。2 變頻控制的基本原理根據(jù)電機學原理,交流電動機轉速公式為:n= (1-s) n0 =60f(1-s) /p式中：n為電動機轉速；n0為同步轉速；f為電源頻率；p為電動機磁極對數(shù)；s為轉差率。由上式可知，當p和轉差率s不變時，電動機轉子轉速n與定子電源頻率f成正比，連續(xù)改變異步電機供電電源的頻率，則可連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉速。這即是變頻器的工作原理。通用型變頻器基本上采用V/F控制方式，即變頻器輸出電壓的頻率F 和輸出電壓幅值U同時得到控制

11、，并保證V/F的值恒定。工作時，變頻器主電路實現(xiàn)交流直流交流的變換過程，內(nèi)部微控制器根據(jù)現(xiàn)場設定信號調(diào)節(jié)PWM輸出頻率，它控制了MOSFET管的導通時間，改變主電路的輸出頻率，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機的輸出轉速的目的。變頻器自帶有完善的保護功能，如過流、過壓、欠壓、過熱、過載等功能。當電機發(fā)生堵轉等故障時,變頻器應可靠跳閘，以保護電機。變頻器每次故障都有故障記憶，可將最新的故障記憶下來，以便運行人員進行故障分析?，F(xiàn)在很多變頻器都帶有PID功能，接受速度傳感器信號，在變頻器內(nèi)部完成閉環(huán)控制功能。變頻器輸出的電源頻率可通過操作面板的手動旋鈕調(diào)節(jié)，也可在頻率設置輸入端上接入控制信號（電壓、電流、頻率或者數(shù)字量）

12、實現(xiàn)遠程控制模式。變頻器的遠程控制方法包括：（1）010V電壓輸入；（2）420mA 電流輸入；（3）脈沖頻率控制；（4）總線通信控制，現(xiàn)在多數(shù)變頻器支持Modbus、Profibus等總線控制。變頻器還可實現(xiàn)手動/自動工作模式的自由切換，在自動模式下，上述模擬量或數(shù)字量的輸入需要控制器來實現(xiàn)；切換到手動方式時，通過調(diào)節(jié)外部電位器對本身基準電壓進行分壓，即可獲得010V的控制電壓。3 基于MODBUS的變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)構成選用自帶MODBUS總線接口的變頻器，整合PLC、單片機或者PC機作為主站的控制器，可以組建生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，發(fā)揮MODBUS總線控制和變頻調(diào)速的優(yōu)良性能，實現(xiàn)

13、設備的集中式控制。系統(tǒng)的組成原理見圖2，在總線的兩個終端需配置120歐姆電阻。安川（YAKAZAWA）VS606 V7交流變頻器，除了電壓、電流、脈沖輸入和旋鈕控制外，還支持點到點的MODBUS 協(xié)議通信，其硬件接口采用RS422/485串行方式；軟件接口協(xié)議采用MODBUS RTU模式，消息幀中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制數(shù)字字符。圖2中的微控制器AT89S52擴展了2個通訊口，一個是RS232串口預留備用，另外通過芯片MAX485擴展RS485接口。AT89S52作為主站微控制器，它通過RS485總線方式，將多臺V7變頻器和具備MODBUS RTU接口的智能型從站組成一個數(shù)

14、字通信控制網(wǎng)絡。AT89S52可以向從站變頻器發(fā)送參數(shù)設置、啟停、數(shù)據(jù)查詢等指令，而變頻器則根據(jù)指令要求控制電機系統(tǒng)運行，并返回信息。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對交流電機的遠程控制，而且還可以通過89S52與人機界面連接，完成整個生產(chǎn)線的啟動、升速、降速停車等操作和監(jiān)控（模擬圖顯示、參數(shù)設置和只要歷史記錄數(shù)據(jù)瀏覽）。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于：（1）89S52直接利用MODBUS協(xié)議對交流變頻器讀寫，無需使用其它附件進行組態(tài)，簡化了硬件，并可實時獲取各變頻器的工作狀態(tài)，包括運行狀態(tài)、運行參數(shù)、故障報警等。（2）主站控制器與從站變頻器之間的連接只有兩根通信線，極大較少了線路連接的復雜性，提高了系統(tǒng)可靠性；（3）延

15、長了系統(tǒng)的控制距離；(4)采集電機各運行參數(shù)并顯示在LCD上，不需要各種現(xiàn)場智能儀表，極大地較少了線路連接的復雜性；（5）能與高精度網(wǎng)絡方便地進行交換信息，從而實現(xiàn)工廠高度自動化。通過主站控制器的設置按鈕，可以對系統(tǒng)操作參數(shù)進行設計，對于一些重要的參數(shù)直接存儲在32K字節(jié)的EEPROM芯片AT24C32中。通過設置變頻器參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)運行在手動或程序自動控制模式下，并可自由切換。3.2 系統(tǒng)軟件設計單片機程序使用C51語言編寫，采用自上而下的模塊化設計方法，整個程序包括系統(tǒng)初始化、串口發(fā)送、串口中斷接收、485通訊、LCD顯示、鍵盤接收、報警等功能子模塊。應用程序中，MODBUS協(xié)議通信由通

16、訊子模塊實現(xiàn)，包含CRC-16計算與驗證、信息幀的編制和分解。每一條指令可以對指定地址的變頻器進行操作；信息幀中包括數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)、起始地址等。V7變頻器只使用3個功能碼：03H、08H、10H，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出、回路反饋測試和數(shù)據(jù)寫入的功能，其描述如表1所示。為了實現(xiàn)MODBUS總線控制，需要預先設置變頻器的操作參數(shù)：n003=2（設備啟停通過總線方式控制），n0046（輸出頻率由總線通信方式控制），n151n157中完成通信參數(shù)的設置。本系統(tǒng)中，將變頻器設置為無超時檢測、頻率指令單位為O.01HZ、通信波特率為9600bps、無奇偶校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、RS控制，而變頻器地址可以設為

17、032。設置好變頻器參數(shù)之后，控制器可以通過RS485總線發(fā)送通信指令，通信流程可以由圖3表示，單片機的主站指令與變頻器/智能設備的響應信號之間具有一定的時間間隔，在程序中需要通過循環(huán)延時語句實現(xiàn)。4 結語我們將本文開發(fā)的MODBUS總線控制變頻調(diào)速系統(tǒng)應用于月餅自動包陷生產(chǎn)線中。在該生產(chǎn)線上，以單片機為核心的控制器通過MODBUS總線控制4臺V7變頻器，這4臺變頻器通過變速機構和電機分別控制一個月餅的外陷量、內(nèi)陷量、皮量和刀盤的收口頻率。實踐表明，MODBUS總線通信、變頻調(diào)速和液晶顯示技術的應用，減少了控制系統(tǒng)的布線數(shù)量，提高了系統(tǒng)集成度和可靠性，月餅成分可在大范圍內(nèi)隨意調(diào)整，其良好的用戶界面大大改善了設備的操作性能，提升了產(chǎn)品的市場競爭力。因此，直接利用MODBUS協(xié)議對其組網(wǎng)監(jiān)控，是機械設備控制系統(tǒng)獲得低成本、高性能的好途徑。參考文獻：1. 閻文生, 楊煒，陳世權等.變頻調(diào)速器在給粉機轉速控制系統(tǒng)改造中的應用.電力學報，2000（2）.2. 章紹東.通用變頻器的原理與設計.電子質(zhì)量，2003