基于單片機和USS協議的變頻器遠程控制系統

劉玲玲，喬書杰，李保強

（1.鄭州財經學院 機電工程系，鄭州 450044；2.機械工業第六設計研究院有限公司，鄭州 450007）

變頻調速系統在化工、機械、食品等行業應用十分廣泛，許多變頻調速現場，電機和操作室距離較遠，變頻器若安裝在工控現場則不便于人員操作，若安裝在操作室又對現場工人的觀察和操作造成影響。同時傳統的開關量和模擬量控制因動力線拉的太遠或較多信號線交織在一起容易造成干擾和控制的滯后等現象。USS協議是一種工業通用通訊協議，其由西門子工程師開發，被廣泛應用于工業控制相關產品中，尤其在變頻器遠程通訊控制中更為普遍。鑒于上述情況，本文研究了基于單片機和USS協議的變頻器遠程控制系統。

變頻器遠程控制系統通過RS485總線聯網實現遠程控制變頻器的啟動、停止、加減速、正反轉，并實時顯示變頻器的工作頻率、轉速等運行狀態信息[1]。 單機通訊距離可達 1200 m（9600 b/s），RS485通過2條信號線，實現數據的接收，有效地消除了多條開關量、模擬量信號線共存時的干擾、滯后等問題。這樣對于支持USS協議的變頻器就可將其安裝在電動機附近，通過通訊系統連接遠端操作室內電控柜的變頻器遠程控制儀，在操作室內就能實時地對變頻器的運行狀態進行監聽和控制。該系統已經在鄭州天宏自動化技術有限公司投入使用。

1 方案綜述及工作原理

該控制系統CPU采用Mega128微處理器，提供USART雙串口和RS485接口，可同時實現與上位機和變頻器的通訊，對支持USS協議的變頻器（如西門子變頻器、愛默生變頻器、丹佛斯變頻器和東洋變頻器等）通過通訊控制啟停、加減速及輸出參數的監控等。同時該系統提供主從2種控制模式，在主設備模式下，主要是對它下面的從設備發出控制命令；當它作為從設備模式時，主要是接收和響應主機的命令請求。設置有2個通訊接口：通訊口l支持RS485接口，通訊口2支持RS232接口，能夠接2個不同網絡的通訊設備。在USS通訊網絡中，變頻器被認為是從機，通過變頻器遠程控制系統，可以向變頻器發出控制命令（如啟動、停止、允許運行等）；給變頻器輸入電機速度或轉矩給定信號；實時讀取變頻器中運行狀態信息；檢查變頻器故障并可對變頻器進行故障復位等。

2 硬件設計

2.1 硬件結構框圖

硬件結構框圖如圖1所示。其中RS485模塊實現與下位機變頻器的通訊，RS232模塊實現與上位工控機的連接；DI/DO模塊可連接變頻器的數字控制端子實現開關控制；DA模塊提供2路模擬量輸出信號：4～20 mA電流信號和0～10 V電壓信號；AD模塊提供2路模擬量輸入信號，可采集變頻器反饋的實際值信號；按鍵和顯示模塊構成人機操作界面，實時顯示變頻器當前狀態，并通過按鍵監聽或控制變頻器。

圖1 硬件結構原理圖Fig.1 Schematic structure of hardware

2.2 RS485通訊接口

變頻器遠程控制儀通過RS485硬件接口接入總線。接口芯片選擇TI公司的SN75LBCl84，該芯片是具有瞬變電壓抑制功能的RS485差分總線收發器。

SN75LBC184帶有內置高能量瞬變噪聲保護裝置，這種設計特點顯著提高了抵抗數據同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性，它不但設計成限斜率方式輸出，而且能抗雷電的沖擊，承受高達8 kV的靜電放電沖擊，在應用中效果十分理想[1]。通訊方式采用隔離的RS485通信，它提供了對USS的硬件支持。6N137芯片作為高速光電隔離芯片，充分保障了通信速率，其接口電路如圖2所示。

圖2 RS485通訊接口電路圖Fig.2 RS485 communication interface circuit

2.3 CPU部分

單片機選用ATMEL公司的ATmega128芯片，它是基于增強的AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微控制器，具有先進的指令集以及單周期指令執行時間，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾[2]。同時它具有128 KB的系統內可編程Flash，滿足程序空間的要求，4 KB的E2PROM，滿足通過人機界面組態時的大量掉電不丟失可查出改寫的參數要求，4個PWM的定時計數器可提供2路模擬量信號的輸出，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC可滿足外部信號的采集，2路USART串口方便接入DCS系統[3]。

2.4 USS通訊協議

通用串行接口協議USS協議 （universal serial interface protocol）是SIEMENS公司所有傳動產品的通用通訊協議，它是一種基于串行總線進行數據通訊的協議。USS協議是主-從結構的協議，規定了在 USS總線上可有一個主站和最多30個從站；總線上的每個從站都有一個站地址（在從站參數中設定），主站依靠它識別每個從站；每個從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文，從站之間不能直接進行數據通訊[5]。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發送報文，從站在接收到報文并做出相應的響應后可不回送報文。協議報文格式如表1所示。

表1 USS協議報文格式Tab.1 USS message format

通訊線路上的每條報文都是以字符STX（=02hex）開始，接著是長度的說明（LGE）和地址字節（ADR），然后采用數據字符即PKW參數識別ID數據區和PZD過程數據區，報文以數據塊的檢驗符（BCC）結束[6]。

PKW區說明參數識別ID-數值（PKW）接口的處理方式。PKW接口并非物理意義上的接口，而是一種機理，這一機理確定了參數在2個通訊伙伴之間（例如控制裝置與變頻器）的傳輸方式，例如參數數值的讀和寫。PKW數據區的長度是可設的，一般選擇4個字長。

通訊報文的PZD區是為控制和監測變頻器而設計的。在主站和從站中收到的PZD總是以最高的優先級加以處理。處理PZD的優先級高于處理PKW的優先級，而且，總是傳送接口上當前最新的有效數據。PZD數據區的長度也是可設的，一般選取2個字長。

3 軟件設計

系統軟件以USS通訊協議為核心基礎，附以自定義的通訊報文，以標準的USS通訊協議為對外接口，以自己定義的通訊協議為對下位機的通訊接口，以此來實現通訊的連接轉換。

軟件主要由5大部分組成，分別是主程序、USS通訊模塊、按鍵和顯示人機操作界面、開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等。USS通訊部分程序流程如圖3所示。主程序主要完成系統的初始化、各子程序的調用等。初始化程序主要完成各端口的初始化、USS通訊協議初始化。其中USS通訊協議初始化包括波特率、通訊地址、BCC校驗等參數設置。

圖3 USS通訊程序流程圖Fig.3 USS communications program flow

對所有支持USS通訊協議的變頻器均可在操作界面組態通過RS485通信方式遠程控制變頻器，常用的變頻器如西門子、艾默生、丹佛斯、東洋等變頻器都支持USS協議且均已實現應用中。

變頻器不同則通訊參數的設置不同，對應軟件中所操作的控制寄存器也是不同的。利用單片機軟件編寫為外部可組態的控制器程序，組態內容包括可參數設置的控制寄存器、給定值寄存器、輸出值寄存器等，以及相應的控制字的值或狀態字的值。控制系統具備記憶功能，當一種變頻器的通訊部分組態成功，則控制系統即記憶該變頻器的控制程序進而進行通訊控制變頻器的工作。

4 結語

本文介紹的基于USS通信協議的變頻器遠程控制系統采用RS485總線標準，半雙工傳輸方式，保證數據有效可靠地傳輸，同時提供RS232接口可連接上位工控機，組成DCS控制系統，具有較大的靈活性、抗干擾性和可擴展性，可對電機進行實時、有效、復雜的控制，具有一定的推廣價值。

[1]劉玲玲，劉德平，李保強，等.基于Modbus協議的變頻器遠程控制器的研究[J].儀表技術與傳感器，2010（6）：33-35.

[2]王福瑞.單片微機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3]朱善君，孫新嚴，吉吟東.單片機接口技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]姜鳳武，王杭.基于Modbus協議實現單片機與變頻器的通信[J].自動化技術與應用，2006，25（4）：78-79.

[5]SIMENS MICROMASTER 440用戶手冊[Z]，2003.

[6]丁金林，張浩，劉國海，等.基于USS協議的變頻器計算機通信設計[J].自動化與儀表，2004，19（4）：63-66.