變頻器與主設備串行通訊方式及其程序設計

摘要：本文以三菱E700變頻器為例，介紹了變頻器作為從設備與PC、PLC、HMI等主設備之間的通訊實現(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上，分別設計了各種串行通信的控制系統(tǒng)。為技術人員全面理解、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。

外部端子控制接線多，可控速度固定，不能根據(jù)反饋實時調節(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，這種控制方式已經逐漸成為主流。

三菱E700變頻器通過自帶的PU接口與主設備實現(xiàn)串行通信。本文從系統(tǒng)硬件連接，各器件的參數(shù)設置以及程序編寫等方面，全面講解變頻器與主設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接口與主設備通訊時，要求主設備硬件上配有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，在主設備與從設備間進行串行通訊。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寫入參數(shù)、寫入變頻器的輸入指令以及確認運行狀態(tài)等。[6]

1.3 E700與PC的計算機鏈接通信的實現(xiàn)

1.3.1硬件連接

將需要通信設備的通信口先連接起來。通用的PC串口需要使用轉換器將RS232轉為485接口。可以使用RS-232/RS-485無源轉換器來連接PC的串口和變頻器的PU口。

1.3.2參數(shù)設置

根據(jù)PC各個引腳的定義正確連接后，需要在兩臺設備上設置通信的速率和格式。在Windows操作系統(tǒng)中，可以在設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)設置的和變頻器端一樣。變頻器端通過設置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。

設置Pr.549，將變頻器使用的協(xié)議設置為計算機鏈接協(xié)議。將變頻器設置為網絡模式。

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行控制。可以使用軟件來發(fā)送報文。報文的格式為：控制碼+從設備站號+ 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，會進行相應的操作，然后會發(fā)送一條報文來報告執(zhí)行的結果。更具返回的報文能知道執(zhí)行的結果或查詢的數(shù)據(jù)。返回的報文格式為：控制碼+從設備站號+讀取代碼+數(shù)據(jù)結束+求和校驗代碼[6] 。

1.3.4實現(xiàn)方式

使用友善串口調試助手進行通信操作。打開串口調試軟件，設置串口參數(shù)，選擇Hex模式，點擊打開串口，發(fā)送十六進制數(shù)“05 30 31 66 61 32 32 39 31”，如圖2。變頻器執(zhí)行正轉高速。

1.4 E700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)設置

變頻器與PLC需設置相同的傳輸速率，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絡模式。

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)（設定范圍：0～4096）; 指的是：數(shù)據(jù)接收結束時，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)（設定范圍：0～4096）。n1指的是：使用通道編號（設定內容：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：01 06 00 01 00 01，從左往后逐個解讀：01是從設備地址，06是寫入功能代碼，00 01是變頻器Modbus寄存器，00 01是向寄存器中寫入的數(shù)據(jù)。以上程序是讓變頻器執(zhí)行復位操作。

1.5 E700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RS485的通訊線，方便與變頻器PU端連接。DB9針母頭轉RS485接線圖如圖5。

1.5.1組態(tài)與參數(shù)

觸摸屏設備組態(tài)選擇：通用串口父設備→莫迪康ModbusRTU。

變頻器與觸摸屏需設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絡模式。

1.5.2觸摸屏調試

觸摸屏動畫組態(tài)如圖6。

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

2.延伸

在以上的實驗中，調試可得知變頻器作為從設備是不會主動向主設備PLC發(fā)送信息，屬于半雙工的傳送方式。實驗現(xiàn)象表明由主設備發(fā)送請求給從設備，從設備做出應答，由此可得出是異步通信方式。

其實，本次的系統(tǒng)通信結構不僅僅指限于本次使用型號的設備。總結下來可以分為2層：硬件層和協(xié)議層。如果設備之間的硬件層相同，使用相同的協(xié)議，也可以進行通信。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，臺達變頻器使用的是MODBUS ASCII協(xié)議，西門子變頻器使用USS協(xié)議。變頻器與任何一種主設備進行串行通信時，只要主設備按照變頻器的協(xié)議發(fā)送報文就可以實現(xiàn)。

3.總結

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

參考文獻：

[1] 張豪.基于MODBUS通訊協(xié)議的三菱PLC控制臺達變頻器的研究[J]，2009

[2] 瞿選益.三菱1000系列觸摸屏與A700系列變頻器通訊運行[J]，2014

[3] 竇小明，黃曉偉.MCGS觸摸屏與多臺匯川變頻器的MODBUS通訊設計與實踐[J]，2012

[4] 詹俊鋼，譚娜.MCGS觸摸屏與西門子變頻器的USS協(xié)議通訊設計與實踐[J]，2017

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

[6] 三菱E700使用手冊（應用篇）.三菱株式會社[Z].2009.4

[7] 三菱FX系列編程手冊.三菱株式會社[Z].2009.4

[8] 三菱FX系列通訊手冊.三菱株式會社[Z].2009.4

作者簡介：

徐垚，男，1996年5月，助教，主要研究方向：PLC、變頻器、伺服技術的系統(tǒng)設計與應用。

（作者單位：無錫機電高等職業(yè)技術學校）