ATV58变频器的通讯控制
刘 刚
(施耐德电气 (中国) 投资有限公司 北京 100004 Tel: 65906907-393)
一、变频器通讯控制概述
当前，在机器和设备的控制系统中，对变频器采用串行通讯的进行控制的应用越来越广泛，与传统的控制方式相比较，通讯控制有以下几个方面主要优点：
1、变频器控制线路连接的最简单化
由于大多数工业总线的物理层均为RS485连接，由控制器(工业控制计算机或PLC)至变频器的控制线路可采用最简单的屏蔽双绞线即可实现，与传统的端子控制相比较，不仅可以节省线缆的费用，同时也最大地避免了人工配线过程中出现的失误。
2、变频器与控制器的直接数字交换
由于控制器和变频器均为数字控制器件，采用通讯控制可以实现两者之间的直接数字交换，与传统的控制方式相比较，不仅可以节省控制系统A/D、D/A模块的费用，同时，其控制精度也得到了极大的提高。
例如，对变频器采用传统的模拟量控制时，其频率给定精度在50Hz时为0.05Hz，100Hz时为0.1Hz；如采用通讯控制时，则其精度在最大运行频率(如400Hz)范围内可达到1转(相当于约0.01Hz)。
3、多台变频器的远程集中监控
随着机器和设备的自动化水平提高，对变频器的远程集中监控已经成为控制系统的必然趋势，采用传统的控制方式基本上无法满足其要求，而采用通讯控制则轻而易举。
采用通讯控制方案，可以通过控制器对远程多台变频器实现：
 对变频器配置参数的调整
 对变频器调节参数的整定
 对变频器的监视及启/停控制
 对变频器的故障管理及其故障后重新起动
4、变频器远程/本地切换控制
这是变频器通讯控制的一个可选功能，允许在调试阶段或控制器/通讯线路出现故障时，对变频器进行本地控制(通过操作面板或端子控制)。
以ATV58变频器为例，该功能的实现是将变频器某逻辑输入口定义为强制本地控制模式(FLO：Forced Local)，在需要切换到本地控制时，将该输入口接通即可实现。
变频器的通讯控制可以简单地分为低速和高速两大类。
低速通讯指采用标准的串行连接总线，其数据传输率最大为19.2Kbit/s，以ATV58变频器为例，如Modbus总线、Uni-telway总线、和ASCII字符等。
高速通讯指采用数据传输率1Mbit/s以上的工业网络，以ATV58变频器为例，如Ethernet、Modbus Plus、FIPIO、CAN Open、AS-I、Profibus-DP、Interbus-S、DeviceNet等。
对低速通讯和高速通讯的选择一般应综合以下几方面因素：
 从站的数目
 交换数据的数量
 响应时间
 通讯距离
 价格等
低速串行总线一般仅包含网络概念的OSI(Open System Interconnection)模型中的协议层以下的信息，用户在对变频器进行通讯控制时需要编写相应的通讯程序，同时由于传输速率较低，在响应时间要求较高的场合有一定的局限性。但低速串行总线一般是控制器和变频器的基本配置，无需增加额外成本，在价格上有明显的优势。
高速工业网络一般均包含了OSI模型中的最高层 - 应用层，即在网络应用中预先设定了某些必要信息，这些信息将由网络系统自动进行交换，同时将交换后的数据映像在控制器的相应内存中；换句话说，在采用高速工业总线对变频器进行控制时，用户无需编写通讯程序，只需对相应内存进行读写操作，即可实现对变频器的高速通讯控制。但高速工业网络需要专用的通讯网卡及附件(线缆、接头等)，成本较高。
表一简单描述了ATV58变频器部分通讯总线的主要特征。
表一 ATV58变频器通讯总线特性
基本接口 高速通讯(附加卡) 低速通讯(附加卡)
协议 Modbus(从站) FIPIO Modbus+ Interbus-S AS-i Uni-TelwayModbus和ASCII
最多可连接变频器台数 18 62 个地址，但对PLC仅可连接最多52个 55个变频器，因为最多有64个站，同时有一个站对变频器进行监控 62上变频器(与 Premium的IBY100 结合) 31 28
传输速度 19200位/s 1M位/s 1M位/s 500K位/s 166K位/s 4800-19200 位/s
传输距离 1000M 15KM(光缆) 1800M 13KM 100M 1000M
在众多工业总线中，Modbus是唯一的一个完全开放的工业标准通讯协议，也是全球范围内应用最广泛的串行通讯总线，作为世界上第一台PLC和Modbus协议的发明者，施耐德电气公司的PLC和变频器上均内置了Modbus通讯接口；从价格和实用性角度出发，采用Modbu总线实现PLC对变频器的通讯控制无疑是一个较优的方案，本文即以施耐德电气公司的ATV58变频器 Modbus 总线通讯控制为例，简单介绍了Modicon TSX Micro PLC的编程方法，详细介绍及其它通讯总线的应用可参阅有关的用户手册。
二、ATV58变频器的通讯控制原理和Modbus连接
1、DRIVECOM 标准和 ATV58 内部通讯变量
DRIVECOM 标准是变频器制造商为实现其设备的基本通讯功能标准化而制订的一个统一格式，以保证用户可以对不同的变频器进行相同的操作；换句话说，一台符合DRIVECOM 标准的变频器可以为另一台符合同样标准的变频器所替换，而控制器对该设备的处理程序是相同的。
DRIVECOM标准实质上是对变频器进行通讯控制的一个流程图，规定了变频器从初始上电或故障复位开始，通过相关步骤最终进入运行状态的过程。变频器的状态由变频器内部的状态字 (ETA) 的值给出，通过发送控制字 (CMD) 对其进行修改。
ATV58 变频器的串行通讯连接 (包括高速和低速通讯) 的处理过程依从 DRIVECOM标准，同时其内部数据区提供了变频器操作的全部通讯变量。如不习惯DRIVECOM标准流程编程，也可采用非DRIVECOM标准简化控制方式(参见表二)。详细描述参见“ATV58内部通讯变量用户手册”。
表二 简化控制(非DRIVECOM标准)
控制字 CMD (W400) bit 15 = 1 示例
Bit 1 : 0 串行连接禁止 正向运行 CMD=16#8002 + 给定频率 W401 LFR
1 串行连接有效 或给定转速 W603 LFRD
Bit 7 : 0 / 反向运行 CMD=16#8802 + 给定频率 W401 LFR
1 故障复位 或给定转速 W603 LFRD
Bit 8 : 0 允许串行通讯控制 减速停车 CMD=16#9002
1 禁止串行通讯控制
Bit 11 : 0 正向运行 直流注入停车 CMD=16#A002
1 反向运行
Bit 12 : 0 运行命令 快速停车 CMD=16#C002
1 停止命令 (减速停车)
Bit 13 : 0 / 自由停车 CMD=16#8000
1 直流注入停车
Bit 14 : 0 / 故障复位 CMD=16#8080
1 快速停车
2、Modbus 协议及其ATV58变频器接口
Modbus 协议是一个完全开放的主从式异步串行通讯协议，主站和从站之间允许多点连接，实现主站对一个或多个从站的通讯。主站对从站的访问方式有两种：
 查询方式：主站对一个从站进行对话并等待其应答
 广播方式：主站对所有从站进行对话 (不等待应答)
在Modbus协议中，主站在信息交换中是主动的，即只有主站唯一对数据的交换进行管理，从站只能在主站要求其应答时发送信息，从而避免了信息的冲突；同时，数据交换采用严格的检验方法(如CRC - Cyclical Redundancy Check，循环冗余检验)，以保证数据交换的正确性。
例如，主站发送完访问指令后，在设定时间(Time-out)内等待从站的应答，并对回应的数据进行检验，如正确无误，则发送下一条指令。当出现错误时(如检验不正确或从站无应答)，主站将按设定的重试次数重新发出指令，如果错误仍然存在，主站将报告相应的错误信息。
ATV58变频器内置的Modbus接口物理层为RS485，采用Modbus RTU方式(8个数据位、1个停止位、无校验位)，波特率必须为19.2Kbit/s，连接介质可采用屏蔽双绞线，传输距离可达1000 米。注意：单总线上连接ATV58变频器最多为18台(物理层限制)。
取下ATV58变频器的操作面板，可以看到本机上的Modbus 9针D型接口，该接口RS485管脚定义如下：
 管脚 3: D(A)
 管脚 7: D(B)
控制器与变频器RS485连接参见图一。
图一 PLC与变频器RS485连接示意图
3、ATV58 变频器的Modbus通讯设置
ATV58 变频器的Modbus 通讯参数需要通过操作面板预先予以设置如下:
控制菜单 (CTL: 4-CONTROL):
面板控制 (LCC: Keypad Comm.) – No (取消面板操作)
变频器地址 (Add: DriveAddress) -- 1,2,…, 18 (Modbus从站地址)
ATV58变频器采用通讯功能时，其外部端子控制功能是无效的，通过对逻辑输入口(如LI4)进行编程设置为强制本地控制方式，可实现变频器的远程/本地切换控制。
注意，最好将变频器在本地控制方式下调试完毕后，再进行通讯控制，一方面可以避免因为变频器参数设置的原因导致变频器工作不正常；同时，可以简化通讯的内容和交换数据的数量。
三、ATV58变频器通讯控制PLC编程举例
施耐德电气公司的Modicon TSX Micro PLC是一种面向机器和设备的中小型PLC，本机最大可达256 I/O点，具备强大的内存扩展和通讯扩展功能；其编程软件PL7 PRO与中型PLC Premium兼容，不仅编程简单方便，同时具有中型PLC的强大功能(如丰富的库函数和算术表达式编程等)。
在Micro PLC上实现Modbus主站有两种方式：
1、通过编程软件直接将编程端口(Channel 0)设置为Modbus Master方式。
2、在通讯扩展插槽(Channel 1)内插入TSXSCP114 - RS485 PCMCIA多协议通讯卡，通过编程软件将该通讯卡设置为Modbus Master方式。
注意，采用第一种方式时，通讯口为非隔离的，当传输距离大于10米时应采用总线隔离器(如：TSXPACC01)。此外，Modbus通讯参数必须与变频器一致。
在PLC的软件编程中，通过库函数中的通讯指令即可简单地实现对ATV58变频器的内部通讯变量的访问：
读变量：将ATV58地址450-459中的数据读入PLC内部数据区%MW100-109内，%MW150:4为4个字的通讯管理参数，%MW150:X0为通讯启停标志位
写变量：将PLC内部数据区%MW110-112中的数据写入ATV58地址400-402中
其中： m - 模块号(对Micro PLC为0)
v - 通道号(编程端口为0，通讯扩展口为1)
i - 从站地址(变频器设置的Modbus从站号)
依从DRIVECOM标准或简化控制说明，通过读取变频器相关信息和状态字ETA的数值，写入相应的命令字CMD及给定频率LFR或给定转速LFRD，即可实现变频器的监视、运行、停止、及故障后重启等操作控制。有关Micro PLC通讯及编程的详细说明参见“Modicon TSX Micro PLC 用户手册”。
在强制本地控制的方式下，对变频器写变量的操作是无效的，但读变量操作仍然有效。
在对多台变频器进行通讯控制时，可采用PLC分时操作的原理，编写出一段时间片轮转程序，实现PLC在特定时间与特定变频器通讯，以避免通讯冲突。时间片的长度需要考虑交换数量的多少、实时响应的要求等因素，在试验的基础上确定。
当所有变频器需要控制的数据是相同的时候，如同样的运行频率和/或同时启动和停止，可采用Modbus协议的广播方式。此时，PLC只需通过写变量指令，将从站地址设为0(i=0)，即可将数据同时发给所有的变频器。广播方式适合于在通讯速度要求较快、且不需对变频器进行读变量操作的场合。
采用具有Modbus协议接口的人机界面或计算机，可以同样实现对变频器的通讯控制。有关Modbus协议的计算机编程实现方法参见“Modbus 协议说明”。
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