組態王與三菱FR-D700變頻器實時通信和數據采集

連惠新 毛先萍 馮廣斌 陳 飛

(新疆大學 a.化學化工學院，烏魯木齊 830046；b.電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

據有關部門統計，我國在實際供水過程中，泵的能源消耗占企業能源消耗的80%～90%[1]，大部分泵都是在人工操作下恒速運轉。隨著工農業的不斷發展，建筑或者普通住宅群的高層化，使得用水供需矛盾日益擴大，傳統的供水系統已經不適應現代社會發展和人民生活水平的需要，因而研究變頻技術來實現水泵的變頻控制達到節能的目的，是適應社會的迫切要求[2]。然而更迫切的任務是要解決變頻器與上位機的通信問題，這樣就可以僅通過一條通信線連接變頻器與上位機，完成變頻器的啟動、停止及頻率設定等操作。筆者主要介紹采用ModBus RTU通信協議的三菱FR-D700變頻器與組態王的通信方法，通過功能強大的組態王軟件達到組態、數據采集、調節及在線監測等目的。本方案實現了變頻器與組態王軟件的通信，變頻器的變頻調速降低了硬件成本，同時達到了節能的目的。

1 組態王與三菱FR-D700變頻器①

組態王是目前國內比較流行的數據采集監控系統軟件平臺工具，是工業自動化通用的組態軟件，其價格低廉，具有豐富的設置項目，且使用方式靈活、功能強大。組態王以Windows 98/Windows 2000/Windows NT4.0操作系統為操作平臺，其界面一致友好，易學易用。組態王主要用來組成監控和數據采集系統，使現場的信息實時地傳輸到控制室，保證現場操作人員和工程管理人員都可以看到各種生產數據，這就使得管理人員無需深入生產現場就可以獲得實時和歷史數據，優化控制現場，提高生產率和產品質量。

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機變速運行的設備。實際上，變頻器就是一個逆變器，它先將交流電變為直流電，然后用電子元件對直流電進行開關變為交流電。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設一個可調頻率的裝置，使頻率在一定范圍內可調，用來控制電機的轉速。

2 系統硬件

目前一般的PC機都是RS232串口，很少有RS485串口，為了實現與變頻器長距離且抗噪音干擾的通信，一般采用RS232/485轉換器。RS232/485轉換器分為無源和有源兩種，如果通信距離比較近，則采用無源轉換即可，其總體系統框圖如圖1所示[3]。

圖1 系統框圖

3 變頻器通信

3.1 ModBus RTU通信協議

在ModBus協議中有兩種傳輸模式，一種是ASCII(美國信息交換碼)，另一種是RTU(遠程終端設備)。這兩種傳輸模式與從PC機通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許兩種模式混用。

ModBus RTU協議是一種信息結構，廣泛應用于智能設備之間的通信[4]。RTU傳輸碼：每條8位字節的信息作為兩個4位十六進制字符發送，采用RTU傳輸碼的優點在于能傳輸更多的信息，其通信協議的幀格式見表1，串口配置情況見表2。

表1 Modbus RTU通信協議的幀格式

表2 串口配置情況

3.2 變頻器與RS485接口計算機之間的連接

變頻器與RS485接口計算機之間連接有兩種方式——四線式和二線式。其中二線式連接方式如圖2所示[5]。

圖2 二線式連接方式

由于使用的是個人計算機，沒有相應接口，所以需采用USB轉RS232接口的裝置和RS232轉RS485轉換器。筆者選用二線式連接方式，變頻器的4、6插針與RS485的1針連接，變頻器的3、5插針與RS485的2針連接，變頻器的1、7插針和RS485的5針接地連接，2、8插針為操作面板或參數單元專用電源。

3.3 寄存器的讀寫

FR-D700變頻器將所有的傳動參數、控制和狀態信息都映像到4XXXX寄存區域。這些寄存器區域可以被外部設備讀、寫。將數據映像到4XXXX寄存器無需任何安裝參數，該映像已經預先設定完畢，并與FR-D700參數組對應，所有的參數都可以讀或寫。寫參數時要使用正確的格式和有效的寄存器地址。

3.4 通信步驟

計算機(安裝了組態王軟件)與變頻器通信前，必須將計算機的串口通信參數和變頻器相關參數設置好，否則不能正常通信[6]，變頻器參數設定如下：

Pr.117 4

Pr.118 96

Pr.119 0

Pr.120 2

Pr.123 9 999

Pr.549 1

計算機與變頻器通信的過程如圖3所示。

圖3 計算機與變頻器通信

通信的具體步驟如下：

a. 從計算機發送請求數據到達變頻器；

b. 通信等待時間過后；

c. 針對計算機發送的數據請求，變頻器將回復數據給計算機；

d. 變頻器處理時間過后；

e. 發生數據錯誤而需要再試時，通過客戶端程序來執行再試動作，連續再試次數超過參數的設定值時，變頻器會報警并停止；

f. 計算機對變頻器回復的數據發出應答；

g. 接收到發生數據錯誤的信息后，變頻器會重新向計算機發送步驟c數據，數據錯誤連續發生的次數超過參數的設定值時，變頻器會報警并停止。

4 組態

利用組態王軟件的工程管理，建立新項目，命名為“變頻器運行監控畫面”。組態王與變頻器通信監控系統設計步驟如下：

a. 在設備配置向導里，選擇ModBus RTU設備，雙擊“新建”圖標；

b. 使用組態王設備列表下的PLC→莫迪康→ModBus RTU進行通信；

c. 為新建的設備命名為三菱D700，設置與變頻器相連接的串口，選擇COM4；

d. 單擊數據庫→數據詞典，雙擊“新建”圖標，彈出“定義變量”對話框，根據變量定義步驟，選擇變量類型同時設定所需要的數值，然后連接之前創建的設備——三菱D700，對照寄存器功能表選擇對應的寄存器，數據類型選擇Short，定義變量設置變頻器啟停、運行頻率、輸出電流和輸出電壓。

5 數據采集

5.1 命令編寫

組態王采集變頻器數據部分命令語言如下：

\本站點頻率=\本站點變頻器運行頻率/100;

\本站點頻率=\本站點變頻器運行頻率/100;

\本站點頻率=\本站點變頻器運行頻率/100;

5.2 結果分析與討論

不同時間采集的頻率、電流和電壓數據見表3，其變化曲線如圖4所示。

表3 變頻器不同時刻的顯示值與采集值

a. 頻率

b. 電流

c. 電壓 圖4 變頻器顯示值與組態王采集值

由表3可知，變頻器頻率、電流、電壓在不同時刻采集到的數據與變頻器顯示的數值存在一定的誤差，這是因為變頻器本身和信號轉換之間都存在一定的誤差，但是所有的誤差都在5%以內，通過圖4可以看出變頻器顯示值與組態王實際采集值幾乎重合，故可認為由組態王采集的數據是準確的，滿足實時監控的要求，可以應用到工業生產和實際生活中。

6 結束語

變頻器在現實生活中應用越來越廣泛，其顯著的節能效果被公認是一種最有前途的調速方式。變頻調速為節能降耗、改善控制性能、提高產品的產量和質量提供了至關重要的保障。介紹了

ModBus RTU通信協議和組態王與FR-D700變頻器二者的通信方式，為行業實時通信方式提供了借鑒，也為變頻控制提供了前提。實踐證明，通過ModBus RTU協議通信方式采集的數據完全達到了實時監控的要求，滿足了管理人員無需深入生產現場就可了解實際情況的實際需求，可以應用到工業生產和實際生活中。

[1] 喻支乾.基于組態王、PLC及變頻器在恒壓供水控制系統的設計[D].濟南：山東大學,2008.

[2] 倪敬，姜曉勇，施江肖，等.變頻器在節能恒壓供水系統中的應用[J].機電工程,2001,18(5):170～171.

[3] 金立江，李文，張繼和.基于ModBus協議的變頻器VC++控制系統[J].自動化與儀表,2008,23(4):32～34，46.

[4] 董桂強，王仲初，張躍平.基于ModbusRTU協議的變頻器監控系統研究及設計[J].工業設計,2011,(8):205～206，28.

[5] 李江全，張麗，岑紅蕾.Visual Basic串口通信與測控應用技術實戰詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[6] 王鳳杰，陳立勝.基于Modbus協議的計算機與變頻器的通信[J].機械制造與自動化,2008,37(5):128～130.