變頻器與主設(shè)備串行通訊方式及其程序設(shè)計獲獎科研報告

變頻器與主設(shè)備串行通訊方式及其程序設(shè)計獲獎科研報告

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)備之間的通訊實現(xiàn)過程。在分析了計算機鏈接協(xié)議、MODBUS-RTU的概念和信息格式基礎(chǔ)上，分別設(shè)計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：takingMitsubishiE700inverterasanexample，thispaperintroducestherealizationprocessofcommunicationbetweenslaveequipmentandmainequipmentsuchasPC，PLC，HMI.Basedontheanalysisofthecomputerlinkprotocol，theconceptofMODBUS-RTUandtheinformationformat，variousserialcommunicationcontrolsystemsaredesigned.Itprovidesareferencefortechnicianstounderstandandmastertheserialcommunicationofcurrentfrequencyconverter.

Keywords：inverter

serialcommunication

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。

外部端子控制接線多，可控速度固定，不能根據(jù)反饋實時調(diào)節(jié)。模擬量控制易受干擾，控制距離不長。而通信控制就沒有這些問題。簡單的接線，就可以同時使用一臺設(shè)備控制多臺變頻器，還可以實時采集變頻器的狀態(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變頻器通過自帶的PU接口與主設(shè)備實現(xiàn)串行通信。本文從系統(tǒng)硬件連接，各器件的參數(shù)設(shè)置以及程序編寫等方面，全面講解變頻器與主設(shè)備間串行通信方式實現(xiàn)的過程。

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4線制的485通信口，PU端口各引腳定義見圖1。E700的PU接口支持計算機鏈接和Modbus-RTU兩種協(xié)議。變頻器使用PU接口與主設(shè)備通訊時，要求主設(shè)備硬件上配有485接口。

1.2.1計算機鏈接

計算機鏈接協(xié)議是三菱公司為了解決計算機與FX系列PLC子站間通信問題而設(shè)計的專用協(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ModbusASCII和Modbus-RTU兩種，它是Modicon公司為PLC上的應(yīng)用而開發(fā)的通訊協(xié)議。Modbus協(xié)議使用專用的信息幀，在主設(shè)備與從設(shè)備間進(jìn)行串行通訊。專用的信息幀具有能讀取和寫入數(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)、寫入變頻器的輸入指令以及確認(rèn)運行狀態(tài)等。[6]

1.3E700與PC的計算機鏈接通信的實現(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。通用的PC串口需要使用轉(zhuǎn)換器將RS232轉(zhuǎn)為485接口?？梢允褂肦S-232/RS-485無源轉(zhuǎn)換器來連接PC的串口和變頻器的PU口。

1.3.2參數(shù)設(shè)置

根據(jù)PC各個引腳的定義正確連接后，需要在兩臺設(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。變頻器端通過設(shè)置Pr.117～Pr.124來實現(xiàn)[6]（具體參數(shù)對照變頻器手冊）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)置為計算機鏈接協(xié)議。將變頻器設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)模式。

1.3.3報文格式

要控制變頻器，PC端必須發(fā)送符合計算機鏈接通信協(xié)議的報文給變頻器來進(jìn)行控制?？梢允褂密浖戆l(fā)送報文。報文的格式為：控制碼+從設(shè)備站號+命令代碼+等待時間+數(shù)據(jù)+求和校驗碼[6]。變頻器收到正確的報文后，會進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后會發(fā)送一條報文來報告執(zhí)行的結(jié)果。更具返回的報文能知道執(zhí)行的結(jié)果或查詢的數(shù)據(jù)。返回的報文格式為：控制碼+從設(shè)備站號+讀取代碼+數(shù)據(jù)結(jié)束+求和校驗代碼[6]。

1.3.4實現(xiàn)方式

使用友善串口調(diào)試助手進(jìn)行通信操作。打開串口調(diào)試軟件，設(shè)置串口參數(shù)，選擇Hex模式，點擊打開串口，發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)“053031666132323931”，如圖2。變頻器執(zhí)行正轉(zhuǎn)高速。

1.4E700與PLC的Modbus-RTU通信的實現(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。

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)長度，奇偶校驗以及停止位。PLC側(cè)選擇為無協(xié)議通訊，變頻器通過修改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

程序方面使用串行數(shù)據(jù)傳送指令RS2指令。如圖3。

該指令是用于通過安裝在基本單元上的RS-485串行通訊口進(jìn)行無協(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，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（設(shè)定內(nèi)容：K0：通道0、K1：通道1、K2：通道2）。[7]

報文的格式為：地址區(qū)域+功能區(qū)域+數(shù)據(jù)區(qū)域+錯誤校驗區(qū)域。程序如圖4。

程序中的16進(jìn)制數(shù)需從低位至高位來看，將D0至D2中的數(shù)據(jù)解析為：010600010001，從左往后逐個解讀：01是從設(shè)備地址，06是寫入功能代碼，0001是變頻器Modbus寄存器，0001是向寄存器中寫入的數(shù)據(jù)。以上程序是讓變頻器執(zhí)行復(fù)位操作。

1.5E700與HMI的Modbus-RTU通信的實現(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，方便與變頻器PU端連接。DB9針母頭轉(zhuǎn)RS485接線圖如圖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)校驗方式以及停止位位數(shù)。變頻器通過修改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

觸摸屏動畫組態(tài)如圖6。

添加變頻器Modbus寄存器40009，寫入十進(jìn)制數(shù)10，變頻器執(zhí)行正轉(zhuǎn)、高速指令。

2.延伸

在以上的實驗中，調(diào)試可得知變頻器作為從設(shè)備是不會主動向主設(shè)備PLC發(fā)送信息，屬于半雙工的傳送方式。實驗現(xiàn)象表明由主設(shè)備發(fā)送請求給從設(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，本次的系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)不僅僅指限于本次使用型號的設(shè)備。總結(jié)下來可以分為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、西門子S7200變頻器與PC通信，甚至變頻器與安卓手機通信。每家公司變頻器的協(xié)議并不相同，臺達(dá)變頻器使用的是M