基于Modbus通訊協議變頻器速度給定系統的改造及設計

吳 征，喻支乾

(催化劑齊魯分公司，山東 淄博 255300)

1 變頻器頻率設定方式及Modbus通訊協議應用

變頻器是一種通過改變三相電源頻率，進而調節電機轉速的電力電子設備，其頻率設定方法包括：面板設定、電壓信號設定、電流信號設定以及通訊數據設定。對于安裝于控制現場的變頻器可采用面板設定頻率的方法，但由于現場環境惡劣，變頻器一般安裝于配電室內。電壓信號設定是利用安裝于現場操作柱的電位器調節0～10 V的直流電壓信號輸入變頻器，實現頻率的設定，在防爆區域需使用防爆操作柱，操作柱與變頻之間需安裝帶屏蔽的控制線，由于直流電壓信號在線路上的衰減，控制線路長度有所限制，且不易實現閉環控制系統。電流信號設定，一般以儀表DCS作為電流信號源，由DCS輸出4～20 mA電流信號，變頻器將此信號轉換為0～50 Hz的設定頻率，由于電流信號不存在壓降，故控制線路可較長，并且因為DCS的控制，可以方便地實現閉環控制。通訊數據設定普遍采用工控機及變頻器的RS485接口進行數據傳輸，采用Moubus通訊協議，傳輸介質采用雙絞線，一條雙絞線可帶32臺設備，這樣可節約大量的控制電纜和現場操作柱，工控機和變頻器采用半雙工通訊方式，工控機即可對變頻器寫數據，實現變頻器開停車及頻率設定，也可對變頻器讀數據，實現變頻器的運行參數(電流、轉速、頻率、電壓等)的上傳。

Modbus通訊協議是一種廣泛應用于工業現場總線的開放式通訊協議，采用串行數據通訊，一幀數據由地址域、功能碼、數據域、差錯校驗四部分組成，通訊接口一般采用RS485接口，傳輸距離可達到1 km，其數據傳輸采用主從結構，即一臺設備作為主機，總線上并接的設備作為從機，這非常適合于工業企業對現場設備集中控制的思想。圖1是其控制網絡結構圖。

圖1 控制網絡結構

在分子篩的制備工藝中，物料和液體添加劑保持一定的配比，生產中需根據物料流量不斷調整添加劑流量。為滿足生產自控的要求，設備供應商專門開發了由工控機(軟件及硬件)、變頻器、流量變送器組成的閉環控制系統。工控機采集物料流量，由此計算出添加劑流量，計算結果與采集的添加劑流量進行差值比較，比較結果通過比例(P)、積分(I)、微分(D)計算，計算結果即為變頻器的轉速設定值，通過調整變頻器的轉速調節添加劑物料泵的流量。工控機的轉速設定值為數字信號，此信號通過Modbus通訊協議，經工控機485接口、485總線、變頻器485接口，送至變頻器，作為變頻器的速度設定值。其控制網絡結構如圖一所示，其中主機為工控機，從機為變頻器。本套系統，在實際的應用過程中存在以下兩方面的問題：

(1)由于工控機軟件開發僅針對某一特定型號的變頻器，其它型號的變頻器由于Modbus通訊數據功能碼、數據寄存器地址、校驗碼等方面的不同，不能應用于本系統。在變頻器損壞，且由于使用時間長，同型號變頻器很難購買的情況下，其它型號的變頻器不能替代使用。

(2)在通訊系統出現故障時，由于通訊數據為二進制格式，不能通過使用傳統儀表測量通訊信號，不能迅速準確及時地判斷是儀表通訊故障還是電氣設備故障，延長故障判斷及處理時間。

2 控制系統改造方案設計

對控制系統改造的目的，是為了解決第一章中列舉的系統存在問題。

解決問題的關鍵是將設定變頻器頻率的信號轉變為通用的可直觀測量的適用于所有變頻器的標準信號，同時還要兼顧Modbus通訊控制的優點，為此，在通訊線路的末端即變頻器接收信號前，將Modbus通訊數據中的二進制頻率設定數據進行數模轉換(D/A轉換)，轉換成標準的4-20mA信號，再送入變頻作為頻率設定信號，同時，該系統能將工控機設定頻率以十進制方式通過LED數碼管進行顯示，維護人員可通過該顯示的數據與工控機設定數據是否一致，直觀迅速地判斷通訊系統是否出現故障。

實現以上功能，硬件上以可編程單片機嵌入式系統為核心，單片機接受RS485格式通訊數據，將頻率設定的二進制數據進行截取存儲，此數據一路送入LED數碼管顯示，一路送入數模轉換電路進行轉換。軟件上，當485總線上存在通訊數據時，首先進入中斷服務程序，將此數據存儲，然后判斷接收的一幀數據中，地址及寫命令是否符合變頻器格式，如果符合就截取頻率設定值數據并存儲，將此數據進行數模轉換并顯示，如果不符合，不對數據進行處理。

采用單片機的異步串行接口接收數據，由于串口不能直接接收485通訊數據，設計了通訊模塊進行數據的收發；LED采用4位帶小數點的7段數碼管，為增強驅動能力，單片機和數碼管設置驅動模塊。系統設計方案如圖2。

圖2 系統設計方案

3 控制系統硬件電路設計

硬件電路的核心選用PIC系列單片機，具體型號為PIC16F877A。Microchip公司的PIC單片機采用數據總線和指令總線分離的哈佛總線(Harvard)結構，采用兩級流水線取指令方式，具有低功耗、高速度、功能強等特點，片內具有FLASH程序存儲器，支持在線串行編程。本款型號的PIC單片機具有40個引腳，如圖3所示。

圖3 PIC16F877A

通訊模塊選用MAX485芯片，封裝形式為雙列直插，它具備一個接收器和一個發送器，接收485總線數據，并轉換為TTL電平，送入單片機，可工作在半雙工方式。

圖4 AD5420外觀圖及內部功能框圖

另一個比較重要數模轉換模塊，采用AD5420芯片，AD5420是一款單通道、16位、串行輸入的數模轉換芯片，輸出電流范圍為4～20 mA、0～20 mA或0～24 mA，采用表貼封裝形式，共24個管腳，外觀尺寸為7.8 mm×4.4 mm，管腳之間的距離僅為0.65 mm，所以在PCB上焊接管腳時，有一定的技術要求。其外觀及內部功能框圖如圖4所示。

AD5420內部主要包括輸入移位寄存器、16位數模轉換電路、輸出驅動電路。它需要兩路電源，一路DC5V為數字電路電源，一路為DC24V為模擬電路電源，其主要端子：

LATCH鎖存端子，在移位寄存器接收到24位數據時，進行鎖存，并送入DAC電路；

SCLK為SPI接口(外部設備接口)位同步串行時鐘，在時鐘的上升沿將一位數據送入移位寄存器，最高頻率可達到30 MHz；

SDIN/SDO為串行數據輸入/輸出端子；

Iout端子為4～20 mA電流信號輸出端子。

3.1 串行數據通訊電路

圖5 串行數據通訊電路

圖5中，單片機采用3.6864 MHz的精密晶振，在波特率設置為9600bit/s時，理論上可保證數據傳輸的誤碼率為0。單片機的RB4/RB5端子控制485芯片的發送/接收使能，來自485總線的串行數據通過RC7輸入單片機的數據接收端RX，單片機的數據發送端TX通過485芯片的發送器發送至485總線。單片機及485芯片均需提供DC5V的電源。

3.2 LED顯示及驅動電路

圖6 LED顯示及驅動電路

圖6中，LED集成電路采用4位帶小數點的共陰極數碼管，為增加驅動能力，采用了ULN2003A驅動芯片，其內部是7個反向器，使用了其中的四路作為4位數碼管的位選信號，分別由單片機RA0、RA1、RA2、RA3控制。4位數碼管共用段選及小數點控制信號，由單片機的RD0至RD7共8個端子控制。位選信號控制4位數碼管那一位顯示，段選信號控制顯示的是0至9的哪一個數字。

3.3 單片機及數模電路連接

圖7中，單片機的RC3/RC4/RC5通過軟件控制，模擬SPI接口，連接至AD5420的SCLK/SDIN/SDO,RB0連接至AD5420的LATCH,在AD5420接收到8位地址數據及16位轉換數據共24位數據時，RB0控制AD5420進行數據鎖存，并將轉換數據送入D/A轉換電路。AD5420需要配置DC5V及DC24V的兩路電源，在AD5420的第24管腳接24 V電源，并在電源上并接TVS(雙向瞬態抑制二極管)，作為過電壓保護。AD5420的第18管腳作為4～20 mA電流輸出信號，也并接一個TVS。

在硬件電路中還包括：上電復位電路、電源指示、接線端子。整個電路如圖8所示。

圖 7 單片機與AD5420連接電路

圖8 整個硬件電路

硬件電路設計工具采用Altium Designer電子產品軟件設計系統，首先繪制電路圖，然后生成PCB(印刷線路板)電路，根據布線規則進行布線，生成PCB文件。將此文件發送至生產廠制作，然后對電子元件手工焊接。PCB文件及焊接完PCB板及封裝后產品如圖9、10。

圖9 PCB文件

圖10 PCB板及封裝后產品

4 控制系統軟件設計

圖11 主程序功能框圖

軟件設計采用MAPLAB集成開發環境作為設計工具，采用C語言編程。主程序功能框圖如圖11所示。

軟件的核心是對通訊數據的捕獲及處理，由通訊中斷服務程序及定時中斷服務程序處理。在單片機的接收數據緩沖區接收到數據時，進入中斷服務程序，同時開啟定時器1，在定時器1的定時時間內，接收完一幀數據，存儲至一個全局數組中，定時時間到時，進入定時中斷服務程序，對數據進行處理，首先關閉定時器計數，并賦以初值，再判斷接收的數據是否符合變頻器地址及頻率設定命令格式，如不符合，不進行處理，如符合，將二進制數據中頻率設定部分的兩字節數據進行截取，然后轉換為十進制數據，此數據一路送入LED顯示，一路送入AD5420進行數模轉換，輸出4～20 mA信號，送至變頻器。在下一次通訊數據到來時，對接收數組中的數據進行刷新，并重復以上過程。服務程序功能框圖如圖12所示。

圖12 中斷服務程序功能框圖