实用变频器通讯控制.docx

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实用变频器通讯控制

第一章变频器通讯控制基础

第一节问题的提出

传统上，变频器的控制方式主要有三种：

一是通过变频器的操作面板控制，即通过操作面板设定不同的给定频率（以及加减速时间等参数），再通过操作面板上的正/反转按键和停止按键实现电机的启停控制，主要应用于对变频器进行本地操作，且电机转速不频繁变化的场合；二是通过变频器的控制端子控制，即通过对变频器控制端子上逻辑输入口的逻辑组合设置各种预置速度，再通过逻辑输入口的启动/停止端子和预置速度端子的通断状态，实现电机的启停控制和输出频率的改变，主要应用于通过控制系统（PLC或工控机）控制电机按预先设定的几个固定频率运转的场合。

三是通过变频器模拟量输入端输入0-10V或4-20mA信号改变给定频率，再通过逻辑输入口的启动/停止端子控制电机的启停，可以通过控制系统实现对电机在设定频率范围（从最低频率到最高频率）内的任意频率控制。

实际应用中，第三种方式最为普遍。

另一方面，变频器的操作面板可以根据用户的操作，显示用户所需要全部信息，但这种方式仅适用于本地操作的场合；此外，变频器还同时提供逻辑输出口和模拟量输出口，以便变频器的将预先设定的有关信息送达上位的控制系统，信息受逻辑输出口和模拟量输出口的数量限制，而且无法灵活改变。

因此，传统的变频器控制方式可以简单地理解为是采用信号的并行方式控制的：

变频器是通过上位控制系统发来的并行信号控制，变频器的信息也是通过并行信号送达控制系统，显而易见，控制系统和变频器之间通过这种并行方式所交换的信息是非常有限的。

此外，在控制系统通过变频器的模拟量输入端进行控制以及通过模拟量输出端采集信息时，存在一个明显的瓶颈，即控制系统和变频器都是数字装置，因此，在信号的传输中，双方都需要通过各自的D/A和A/D模块来发送和接收相应的信息，这无疑增加了系统成本，而且带来了精度和响应时间的问题，同时还存在易受干扰和长距离传输时信号衰减的问题。

从更长远的眼光看，随着计算机技术、网络技术和自动控制技术的迅猛发展，我们的社会已从工业社会转向了信息社会，信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂到企业乃至世界各地，逐步形成以计算机网络为基础的企业信息系统，用以取代传统的企业运作方式，实现办公自动化和工业自动化的无缝结合的管控一体化全新格局。

在控制领域，建立全开放的工业控制网络，即是信息发展进程的结果，也是现代企业提出的要求。

现场总线技术正是为实现这一目标应运而生。

在变频器控制方面，采用基于现场总线技术的变频器通讯控制方式，不仅可以满足现代企业提出的这个要求，而且可以同时解决上述存在的问题，其极大的优越性是传统控制方式所远远无法比拟的。

可以断言，随着现场总线技术应用的日益成熟，变频器的通讯控制方式必将是今后发展的主要方向。

第二节现场总线概述

一、现场总线的定义

国际电工委员会IEC61158标准对现场总线的定义是：

“现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。

”

具体讲，现场总线是一种全数字式的串行双向通讯系统，用数字通讯取代用模拟信号传输信息的方式，把各个分散的数字化、智能化的测量和控制设备变成网络的节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统；另一方面，现场总线技术将专用微处理器置入传统的现场设备（指位于现场层的传感器、驱动器、及执行机构等设备），使现场设备本身即具备基本的控制功能又具备强大的数字通讯能力，实现了远程监控计算机和现场设备之间真正的全分布式系统，简化了系统结构，降低了系统风险，提高了设备利用率。

因此，现场总线是面向工厂底层自动化信息集成的数字化网络技术，基于现场总线技术的自动化系统称为“现场总线控制系统”，简称FCS（FieldbusControlSystem）。

二、现场总线的主要特点

1、数字化信号传输

现场总线系统无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是上层工作站及高速网络之间的信息交换，均采用数字信号，实现了高速、双向、多站点之间的通讯。

与模拟信号相比，数字化从根本上提高了测量和控制的准确度和精度，减少了传送误差，提高了系统的可靠性。

2、系统集成度高

现场总线系统的接线十分简单，一根双绞线或同轴电缆就可以挂接许多设备，替代传统的一对一I/O连线，设备可以方便地增减，电缆、端子、接线槽、桥架等用量大大减少，接线点造成的不可靠因素大大降低，既节省了系统投资，也减少了系统设计、安装和维护的工作量。

3、信息集成度高

通过现场总线，可从现场设备获取大量丰富的信息，实现现场设备状态、故障、以及参数信息的传送，具有在线故障诊断、报警和记录等功能；除了完成远程监控任务，还可完成设备远程参数设定、修改某参数等工作，增强了系统的可维护性。

4、系统的开放性

“开放”是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。

现场总线开发的目的就是要建立统一的工厂设备层网络的开放系统，不同厂家生产遵从同一总线标准的不同产品，用户可以根据自己的需要将其方便地集成为大小随意、经济实用的系统，同时各个不同厂家的产品之间具有互操作性和互换性，为系统设计、使用、维护、和升级换代提供了广阔的空间。

三、现场总线的分类

现场总线技术起源于欧洲，目前在欧美地区应用十分普遍，具不完全统计，世界上出现的总线种类多达40种，在各个国家和各大公司的支持下，处于激烈的市场竞争中。

过程控制

设备控制

图1-1现场总线的分类

设备总线

CANopen

Interbus-S

DeviceNet

FIPIO

ProfibusDP

Modbus

区域总线

Ethernet

FIPWAY

ModbusPlus

复杂

简单

数据总线

Ethernet

传感器总线

AS-i

现场总线经过十多年的竞争和完善，目前较为常用的有十多种，根据其复杂程度和应用场合，一般可分为4类，如图1-1所示。

1、传感器总线（SensorBus）

数据宽度为位（bit），用于现场最底层的开关量I/O设备（如各种传感器、执行器）。

典型的有AS-i等。

2、设备总线（DeviceBus）

数据宽度为字节（byte），用于现场控制设备（如PLC、变频器等）之间的信息交换。

典型的有CANopen、InterbusS、DeviceNet、FIPIO、Profibus-DP、Modbus等。

3、区域总线（FieldBus）

数据宽度为字（Word），用于过程控制设备之间信息的交换。

典型的有Ethernet、FIPWAY、ModbusPlus等。

4、数据总线（DataBus）

数据宽度为数据流（Block），用于生产车间、以及管理信息系统之间信息的交换，典型的有Ethernet等。

四、不同现场总线的比较选择

表1-1不同现场总线的主要性能

最大传输速度

最多连接设备

最大传输距离

（无中继器）

最大传输距离

（带中继器）

Modbus

19.2Kbit/s

FIPIO

1Mbit/s

ModbusPlus

1Mbit/s

Ethernet

10/100Mbit/s

Profibus-DP

12Mbit/s

DeviceNet

CANopen

Interbus-S

AS-i

现场总线的一个经常争论的问题就是：

如何对这些总线进行合理的选择？

同时，另一个问题是：

是否会有一种现场总线可以取代所有其它总线而“一统天下”？

有关专家指出，从理论上来看，的确存在一种现场总线就可以面向所有控制领域的可能性，但鉴于技术流派、经济效益、尤其是商业利益的关系，目前多种总线并存的局面还可能维持一段相当长的时间。

因此，在实际应用中有三点建议：

首先，建议构成在系统的不同部分选择不同的现场总线，即在系统的传感器级、设备级、区域级、和数据级每个部分都选择最适合的现场总线。

因为每种现场总线有自己的适用范围，在这个范围内，它是最好的。

其次，建议选择确实降低系统成本的现场总线。

因为是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。

第三，建议关注基于以太网技术的工业以太网（Ethernet）。

因为以太网技术在IT行业的成功应用并实现全球范围的普及，使其在工厂管理层、车间监控层成为主流，同时在设备层的发展也日益广泛。

第三节现场总线基础知识

一、OSI参考模型

层数

描述

7

应用层

6

表示层

5

会话层

4

传输层

3

网络层

2

数据链路层

1

物理层

图1-2OSI参考模型

在计算机技术普及初期，计算机制造商将用户限止在专用的体系中，不同计算机之间没有一个通用的通讯系统体系结构，针对这个难题，国际标准化组织于1978年组织开发了为实现开放系统互连（OpenSystemInterconnection）所建立的分层参考模型，简称为OSI参考模型。

OSI参考模型将通信会话中需要的不同进程分为7个功能层，按事件发生的自然顺序组织起来，其中第1层到第3层提供网络访问，第4层到第7层是支持端对端（end-to-end）通讯的逻辑，如图1-2所示。

OSI参考模型提供了控制互连系统交互规则的标准框架，它只是定义了一种抽象的结构，而并非具体实现的描述。

1、物理层（PhysicalLayer）

物理层负责传输位流（0或1），它从第2层（即数据链路层）接受数据帧，一次一位地传输其结构和内容。

传输介质是在物理层之下，有时被称为第0层。

2、数据链路层（LinkLayer）

数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输，包括发送和接收两个职能。

发送时，负责将指令、数据等组成帧（Frame）；接收时，负责对被传输的数据进行有效性检测。

物理层和数据链路层是每种类型的通讯都需要的。

3、网络层（NetworkLayer）

网络层负责建立源计算机与目的计算机之间的路径，规定了网络的建立、维持和拆除的协议。

网络层的使用是可选的，只有在由路由器分隔开的不同网段上才需要。

4、传输层（TransportLayer）

传输层的信息传输单位是报文，负责开放系统之间数据的收发确认，向上一层（即会话层）提供可靠的端对端的数据传送服务。

5、会话层（SessionLayer）

会话层负责支持通信管理，并实现最终用户应用进程之间的同步。

会话层应用相对较少，许多协议将该层的功能打包到传输层里。

6、表示层（PresentationLayer）

表示层负责管理数据编码的方式，实现数据加密/解密、信息压缩/解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。

7、应用层（ApplicationLayer）

应用层负责应用程序和网络服务的接口，为用户的应用服务提供信息交换，如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。

应用层并不包括用户的应用程序。

事实上，和绝大部分计算机网络一样，现场总线也不完全依照OSI参考模型，但其中第1层、第2层和第7层是必须的；同时某些现场总线还对OSI参考模型进行了修正以适应其需求。

二、传输介质

传输介质是通讯网络中发送方和接收方之间的物理通道，对数据通讯质量有很大影响，决定信息传输的速度、距离、和抗电磁干扰性等指标。

现场总线常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、和光纤等。

1、双绞线（Pairoftwistedwires）

双绞线是按一定扭矩相互绞合在一起的两条铜质导线，通常还带有屏蔽层，数据传输率的上限一般是10Mbps，通过中继器可以在15公里或更大的范围提供数据传输，在100Kbps速率下传输距离为1公里。

双绞线可以用于点对点连接和多点连接，通过适当的屏蔽，在10K100KHz以下的低频传输时，其抗干扰性相当于或高于同轴电缆，是最普通、最容易安装，也是最廉价的传输介质。

2、同轴电缆（Coaxialcable）

同轴电缆由一根包有塑料绝缘层的铜线和其屏蔽层组成，数据传输率可达10Mbps，传输距离达几十公里，具有绝缘效果好、频带宽的特点，适合高速数据传输，价格介于双绞线和光纤之间，在局域网中应用最为广泛，但随着双绞线传输技术的改进，同轴电缆的需求正日益减少。

3、光纤（Opticalfiber）

光纤是由许多极细的塑料或玻璃纤维外加绝缘护套组成，光信号经过编码在纤维内通过全反射传输，数据传输率可达几千Mbps，传输距离达几十公里，而且不受电磁干扰和噪声的影响，具有最小的信号衰减和绝佳的抗干扰性能。

但光纤在每米的价格和连接需要的部件（发送器、接收器、连接器等）方面，成本比双绞线和同轴电缆要高许多，但它非常适合在恶劣的环境和长距离条件下的数据传输。

此外塑料光纤虽损耗略高但价格相对便宜，可用于短程链路。

三、拓扑结构

网络中各个站点相互连接的方法和型式称为网络拓扑。

拓扑结构的选择与传输介质的选择和介质访问控制方法的确定密切相关，需要在降低安装费用、灵活增加或删除站点、以及利于故障检测和故障隔离等几个方面统筹考虑。

拓扑结构有三种基本型式：

总线型拓扑、星型拓扑、和环型拓扑。

1、总线型拓扑（BusTopology）

总线型拓扑采用单根传输线（称为“总线”）作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口连接在传输介质上。

此外，在总线干线长度的基础上可以通过中继器扩展长度。

如图1-3所示。

图1-3总线型拓扑结构

b

a

n

中继器

2

1

在总线拓扑上，所有的站点共享该总线，任何一个站发送的信号都沿着介质传播，而且能被其它所有站接收，所以需要有一种访问控制策略来决定一次只允许某一个设备传输信号。

同时，总线的两端必须以终端电阻终结，以防止信号反射。

因为当站点进行传输时，信号是自动向两个方向传播的，如果在总线的终点没有终端电阻，信号将进行反方向传输，从而阻止其它站点的正常信号传输。

总线拓扑具有结构简单、安装方便、易于扩充等优点，因为采用无源器件，从硬件的观点看，可靠性较高；总线拓扑的缺点是故障诊断和故障隔离比较困难，需要在各个站点进行。

2、星型拓扑（StarTopology）

图1-4星型拓扑结构

5

n

4

3

2

1

集线器

星型拓扑是从一个集中连线的接线盒（称为“Hub”或集线器）按星型结构辐射出多个连接站点，如图1-4所示。

星型拓扑上的所有站点与集线器采用点到点连接方式，共享集线器的可用带宽，通过集线器执行集中式通讯控制策略。

星型拓扑具有安装灵活、易于扩充等优点，通过集线器可以实现网络故障的自动诊断和故障站点的隔离；缺点是集线器故障会导致全网瘫痪，可以考虑采用交换式集线器改善。

3、环型拓扑（RingTopology）

3

n

2

1

图1-5环型拓扑结构

环型拓扑中各个站点采用点到点互连方式形成一个物理环，如图1-5所示。

环型拓扑的特征是站点之间的对等连接，每个站点都可以看作一个中继器，具有控制和接收的访问逻辑，数据以分组的形式发送，每个站点接收并响应传给它的数据组，并将其它数据组传递给下一个站点，因此数据的传输是单向的。

环型拓扑的优点是当网络确定时其延时固定，实时性强；某个站点发生故障时可自动旁路，可靠性高；安装方式与总线拓扑相似。

缺点是当站点过多时，传输效率降低，网络响应时间变长。

通过基本拓扑结构的扩展和组合，还可以形成复杂的拓扑结构，如树型拓扑（TreeTopology）、网型拓扑（GridTopology）、和菊花链（Daisy-chaining）等。

四、RS232C、RS422和RS485串行通讯接口标准

RS232C、RS422和RS485是由美国电子工业协会（EIA）制定并发布的串行数据接口标准，RS是“推荐标准”（RecommendedStandard）的缩写，正规名称是：

数据终端设备（DTE，如计算机）与数据通讯设备（DCE，如调制解调器）在进行串行二进制数据交换时的接口。

RS232C、RS422和RS485标准只对接口的电气特性作出了规定，而不涉及接插件、电缆和协议等，可以代表通讯的物理层，允许用户在其基础上建立自己的高层通讯协议，如大部分现场总线的物理层都是基于RS485。

1、RS232C标准

RS232C标准说明了DTE/DCE连接的三个方面：

接口电路的机械特性、穿过接口的电信号特性、以及信号的含义。

图1-6RS232的电气特性

电压（V）

+3

-3

-15

+15

标志

数据值：

1

控制功能：

OFF

间隔

数据值：

0

控制功能：

ON

RS232C标准接口电路的机械特性指定了两个通讯装置的连接器，接DCE为孔型，接DTE为针型，采用D型25芯连接器（DB-25）。

RS232C标准为保证二进制数据的正确传输以及设备控制的正确进行，提供了数据信号和控制信号的电压范围，如图1-6所示。

其中+3V到+15V的正电压表示间隔（SPACE），-3V到-15V的负电压表示标志（MARK），-3V到+3V之间构成转换区域。

实际上传输通常采用12V。

RS232C标准在DB-25连接器上从DTE角度命名各引脚，分成数据线路、控制线路、地、和定时电路（用于同步操作）四组。

事实上，并不是所有的计算机上都支持上述信号，计算机的异步串行通讯口通常采用引脚重新定义的D型9芯连接器（DB-9），参见表1-2。

表1-2RS232CDB-9连接器引脚分配

引脚

功能

引脚

功能

1

接收线信号检测（DLSD）

6

数据设备就绪（DSR）

2

接收数据（RD）

7

请求发送（RTS）

3

发送数据（TD）

8

清除发送（CTS）

4

数据终端就绪（DTR）

9

振铃指示（RI）

5

信号地

RS232C标准是为一对一通讯而设计的，两根数据线（TD和RD）相对于信号地，采用一对双绞线，可以同时发送和接收数据，是一个全双工接口，适合本地设备之间的通讯，其驱动负载为37K，传送距离最大为约15米，最高速率为20Kbps。

2、RS422标准

由于RS232采用信号线和信号地构成的共地传输方式，共模抑制能力差，抗噪声干扰性弱；接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片；同时，传输距离有限、传输速率较低。

为适应通讯技术发展的需要，EIA于1977年在RS232C基础上提出了改进的标准RS449，RS422和RS485是从RS449派生出来的。

RS422标准的全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，数据信号使用一对双绞线，其中一线定义为A，另一线定义为B，两根线的极性相反，发送同一信号；接收器也作与发送端相对的规定，在接收端将两根线上的电压信号（+Vi和-Vi）相减得到实际信号，从而有效地抑制了共模干扰，提高了通讯距离。

典型的RS422是四线接口，实际上还有一根信号地线，共5根线。

接收端和发送端通过平衡双绞线将A-A和B-B对应相连，驱动器能输出7V的共模电压，接收器的输入灵敏度为200mV，即当接收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正电平（逻辑“0”）；小于-200mV时，输出负电平（逻辑“1”）。

通常情况下，正电平在+2V+6V，负电平在-2V-6V。

参见图1-7。

RS422接口采用单独的发送和接收通道，支持点对多的全双工通讯，允许在相同的传输线上连接最多10个站点，接收端输入阻抗为4K，发送端最大负载能力是104K+100（终端电阻），最大传输距离约1200米，最大传输速率为10Mbps。

RS422接口的平衡双绞线长度与传输速率成反比，在100Kbps速率下才能获得最大传输距离，只有在很短的距离下才能获得最高传输速率。

一般100米长的双绞线最大传输速率仅为1Mbps。

此外，RS422接口需要一个终端电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗，一般为100，终端电阻接在传输电缆的最远端。

3、RS485标准

RS485标准是从RS422基础上发展而来的，其电气规定与RS422相仿，所不同的是在RS485中还有一“使能”端，用来控制发送驱动器与传输线的切断与连接。

当使能端作用时，发送驱动器处于高阻状态，即有别于逻辑“1”与逻辑“0”的“第3态”。

因此，当发送驱动器处于高阻状态时，RS485线路可以允许其它设备占用。

RS485通常采用二线制，数据发送和接收使用同一线路，发送时不允许接收数据进入线路，即半双工通讯方式。

RS485接收端输入阻抗为12K，根据驱动芯片的驱动能力，一个发送设备可以驱动32256台接收设备，最大传输距离和最大传输速率与RS422一样，分别是约1200米和10Mbps。

RS485需要在传输总线的开始端和末端都并接终端电阻，阻值一般取120的电阻（大多数双绞线电缆的特性阻抗在100120）。

此外，终端电阻要消耗一定的功率，在对功耗限制比较严格的总线上，可以采取比较省电的RC匹配，即在终端电阻上再串联一只电容，这样可以隔断直流成分以节省大部分功率。

电容的取值需要在功耗和匹配质量间进行折衷，典型值是1F。

还有一种流行的串行连接方式是电流环接口，它把20mA电流作为逻辑“1”，零电流作为逻辑“0”，采用双端传输方式以及隔离技术，具有对共模噪声的抑制作用，消除了接地回路引起的一些问题。

目前，电流环还不是正式标准，应用不广泛。

第四节RS422和RS485应用注意要点

一、RS422和RS485的连接

RS422和RS485总线连接的原则是构建一条单一、连续的信号通道作为总线。

采用一条双绞线（干线），把各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线（支线）应尽量短，以使引出线中的反射信号对总线的影响最低。

图1-8是实际应用中常见的一些错误连接方式（a、c、e）和正确连接方式（b、d、f）。

a、c、e这三种连接方式在短距离、低速率条件下仍可能正常工作，但随着通讯距离的延长或通讯速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后会与原信号叠加，造成信号质量下降。

（d）

（c）

图1-8常见的连接方式

（f）

（e）

正确的连接方式

错误的连接方式

（b）

（a）

此外，还应注意总线特性阻抗的连续性，在总线的不同区段采用了不同的电缆、或某一段总线上有过多的收发器紧靠在一起安装、或过长的分支线引出到总线等，都会产生阻抗不连续点而发生信号的反射。

二、RS422和RS485的接地

接地系统的不合理会影响整个网络的稳定性，尤其在工作环境比较恶劣和传输距离比较远的情况下，对于接地系统的要求更为严格，否则会导致系统不能稳定工作甚至危及系统安全。

很多情况下，因为RS422、RS485采用差分平衡的传输方式，用户在连接通讯链路时只是简单地用双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有两方面的原因：

图1-9共模干扰的产生

Vcpd

VCM

VOS

B

A

一是共模干扰问题。

收发器有一定的共模电压范围，以图1-9为例，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在地电位差VGPD，则接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD，而VGPD可能会有