變頻器與主設(shè)備串行通訊方式及其程序設(shè)計(jì)

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：taking Mitsubishi E700 inverter as an example，this paper introduces the realization process of communication between slave equipment and main equipment such as PC，PLC，HMI.Based on the analysis of the computer link protocol，the concept of MODBUS-RTU and the information format，various serial communication control systems are designed.It provides a reference for technicians to understand and master the serial communication of current frequency converter.

Keywords：inverter ?serial communication ?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Modbus ASCII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]

1.3 E700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。可以使用軟件來(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)“05 30 31 66 61 32 32 39 31”，如圖2。變頻器執(zhí)行正轉(zhuǎn)高速。

1.4 E700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：01 06 00 01 00 01，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，00 01是變頻器Modbus寄存器，00 01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。

1.5 E700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。總結(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MODBUS ASCII協(xié)議，西門(mén)子變頻器使用USS協(xié)議。變頻器與任何一種主設(shè)備進(jìn)行串行通信時(shí)，只要主設(shè)備按照變頻器的協(xié)議發(fā)送報(bào)文就可以實(shí)現(xiàn)。

3.總結(jié)

綜上所述，變頻器與PLC通過(guò)通信方式連接，不僅可與多臺(tái)變頻器組成系統(tǒng)，降低成本，減少接線(xiàn)，且可配備觸摸屏使得對(duì)變頻器的控制、各參數(shù)的設(shè)定及監(jiān)控變得更加方便。通信方法將得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 劉波，鄧炎，魏霞.基于計(jì)算機(jī)鏈接協(xié)議的S7-200PLC與FX2N+PLC的通信[J]，2012

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[7] 三菱FX系列編程手冊(cè).三菱株式會(huì)社[Z].2009.4

[8] 三菱FX系列通訊手冊(cè).三菱株式會(huì)社[Z].2009.4

作者簡(jiǎn)介：

徐垚，男，1996年5月，助教，主要研究方向：PLC、變頻器、伺服技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

（作者單位：無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）