2022年变频器调速系统的设计与实现.docx

关键词： MODBUS 变频调速掌握系统引言现代工业自动掌握系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向进展；利用现场总线技术， 将符合同一标准的各种智能设备统一起来，完全实现整个监测系统的分散掌握，将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效掌握距离，并有利于提高系统抗干扰性能和扩展系统功能；在设备的底层掌握中，变频调速已成为现代电机掌握技术的重要进展方向；假如把总线通信与变频掌握技术统一起来，将推动沟通电机群控技术以及设备远程监控技术的发展； MODBUS 作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，许多厂商的工控器、 PLC 、变频器、智能 I/O 与 A/D 模块具备 MODBUS通讯接口；本文在阐述MODBUS 通信协议的基础上，构建了基于MODBUS 的变频调速掌握系统，并探讨了该系统在月饼自动包陷生产线上的应用；1 MODBUS 总线控系统的技术特点MODBUS 通讯协议是一种工业现场总线通讯协议，它定义的是一种设备掌握器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型中；MODBUS 协议把通信参加者规定为 “主站 ”（ Master）和 “从站 ”（ Slave），数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准 MODBUS 网络时，信息被直接传送；MODBUS总线网络中的各个智能设 备通过异步串行总线连接起来，只答应一个掌握器作为主站，其余智能设备作为从站；采用命令 /应答的通信方式，主站发出恳求，从站应答恳求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息； MODBUS 协议定义的各种信息帧格式，描述了主站掌握器拜访从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等；网络中的每个从设备都必需安排给一个唯独的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令；由于 MODBUS 总线系统开发成本低，简洁易用，并且现在已有许多工控器、PLC、变频器、显示屏等都具有MODBUS 通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准；通过M ODBUS 总线，可以很便利地将不同厂商生产的掌握设备连成工业网络，进行集中监控；MODBUS 最初为 PLC 通信而设计，它通过 24 种总线命令实现 PLC 与外界的信息交换；这些总线命令对应的通信功能主要包括 AI/AO 、DI/DO 的数据传送；但不是许多 MODBUS 设备的掌握只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应；1.1 MODBUS 通信格式MODBUS 协议定义了两种传输模式，即RTURemote Terminal Unit 和 ASCII ；在 RTU 模式中， 1 字节的信息作为一个8 位字符被发送，而在ASCII 模式中就作为两个ASCII 字符被发送，如发送字符 “20时”，采纳 RTU 模式时为 “00100000”，然而采纳 ASCII 模式就成为 “0 0110010 ” “ 00110000（”ASCII 字符的 “ 2和”“ 0）”；可见，发送同样的数据时，RTU 模式的效率大约为 ASCII 模式的两倍；一般来说，数据量少而且主要是文本时采纳ASCII ；通信数据量大而且是二进制数值时，多采纳RTU 模式；主站一次可向一个或全部从站发送通信恳求（或指令），主设备通过消息帧的地址域来选通从设备；主站发送的消息帧的内容和次序为：从站地址、功能码、数据域（数据起始地址、数据量、数据内容）、CRC 校验码；从站应答的信息内容和次序与主站信息帧基本相同； MODBUS 除了定义通信功能码之外，同时仍定义了出错码，标志出错信息；主站接收到错误码后，依据错误的缘由实行相应的措施；从站应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代码03 要求读取从站设备中保持寄存器的内容；1.2 CRC 校验的实现MODBUS 通信的 RTU 模式中，规定信息帧的最终两个字节用于传递CRC （Cyclic Redunda ncy Check，循环冗余校验）码；发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的全部字节按规定的方式进行位移并进行XOR （异或）运算，即可得到2 字节的 CRC 码，并把包含 CRC 校验码的信息帧作为一连续的流进行传输；接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行运算，并将结果同收到的CRC 码的双字节比较，假如一样就认为通信正确，否就认为通信有误，从站将发送CRC 错误应答；RTU 模式一般采纳 CRC-16 冗余校验方法， CRC-16 的校验码为 16 位（ 2 字节），其中低字节在前，高字节在后；实现CRC 校验有两种方法：依据CRC 校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立CRC 校验值表；在程序中使用前者更简洁实现，这里需要使用CRC 生成多项式 X16 X15 X2 1；该多项式对应的码组系数为18005H （ 16 进制），去除最高位，对应的 16 位余数为 8005H ，即为 CRC-16 常数； CRC-16 校验过程如下：将CRC 寄存器的每一位预置为1；把该寄存器值与8bit 的信息帧数据进行异或，结果存于该寄存器；对 CRC 寄存器从高到低进行移位，在最高位（MSB ）的位置补零，而最低位（LSB ， 移位后已经被移出CRC 寄存器）假如为1，就把寄存器与CRC-16 常数进行异或，否就假如 LSB 为零，就无需进行异或；重复上述的由高至低的移位8 次，第一个 8bit 数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8bit 数据异或并进行如前一样的8 次移位；全部的字符处理完成后 CRC 寄存器内的值即为最终的CRC 值； CRC 添加到消息中时，先加入低字节，然后高字节；1.3 链路特点MODBUS 标准的物理层可以采纳RS-232 串行通信方式，但在长距离通信中常采纳RS-422 或 RS-485 代替；在多点通信情形下只采纳RS-485 方式，所以 RTU 模式下的 MODBUS 系统采纳屏蔽双绞线，通信距离可达1000m；一条总线上最多可配置31 个从站设备；传输线上的信息交换是半双工的，即同时只能有一台设备答应发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从站回应，从而防止了线路的冲突；RTU 模式的传输格式是1 个数据位， 2 个停止位，没有奇偶校验位；通信数据安全由掌握参数 CRC-16 码保证； RTU 接收设备依靠接收字符间经过的时间判定一帧的开头，假如经过 3 个半的字符时间后仍旧没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会舍弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开头；1.4 MODBUS 总线通信的数据流程在采纳 MODBUS 总线构建的 SCADA 系统中，主站和从站中的掌握设备上都要实现MOD BUS 通信协议；主站掌握器的通信协议实现过程可以表示为图1；2 变频掌握的基本原理依据电机学原理 ,沟通电动机转速公式为 :n= 1-s n0 =60f1- 式中： n 为电动机转速； n0 为同步转速； f 为电源频率； p 为电动机磁极对数； s 为转差率；由上式可知，当 p 和转差率 s 不变时，电动机转子转速n 与定子电源频率 f 成正比，连续转变异步电机供电电源的频率，就可连续平滑地调剂电动机的转速；这即是变频器的工作原理；通用型变频器基本上采纳V/F 掌握方式，即变频器输出电压的频率F 和输出电压幅值 U 同时得到掌握，并保证V/F 的值恒定；工作时，变频器主电路实现沟通直流沟通的变换过程，内部微掌握器依据现场设定信号调剂PWM 输出频率，它掌握了MOSFET 管的导通时间，转变主电路的输出频率，实现调剂电机的输出转速的目的；变频器自带有完善的爱护功能，如过流、过压、欠压、过热、过载等功能；当电机发生堵转等故障时 ,变频器应牢靠跳闸，以爱护电机；变频器每次故障都有故障记忆，可将最新的故障记忆下来，以便运行人员进行故障分析；现在许多变频器都带有PID 功能，接受速度传感器信号，在变频器内部完成闭环掌握功能；变频器输出的电源频率可通过操作面板的手动旋钮调剂，也可在频率设置输入端上接入掌握信号（电压、电流、频率或者数字量）实现远程掌握模式；变频器的远程掌握方法包括：（ 1） 0 10V 电压输入；（ 2） 4 20mA 电流输入；（ 3）脉冲频率掌握；（ 4）总线通信掌握，现在多数变频器支持Modbus 、 Profibus 等总线掌握；变频器仍可实现手动/自动工作模式的自由切换，在自动模式下，上述模拟量或数字量的输入需要掌握器来实现；切换到手动方式时，通过调剂外部电位器对本身基准电压进行分压，即可获得0 10V 的掌握电压；3 基于 MODBUS 的变频调速系统实现3.1 系统构成选用自带 MODBUS 总线接口的变频器，整合PLC、单片机或者 PC 机作为主站的掌握器， 可以组建生产线自动掌握系统，发挥MODBUS 总线掌握和变频调速的优良性能，实现设备的集中式掌握；系统的组成原理见图2，在总线的两个终端需配置120 欧姆电阻；安川（YAKAZAW A ） VS606 V7 沟通变频器，除了电压、电流、脉冲输入和旋钮掌握外，仍支持点到点的 MODBUS协议通信，其硬件接口采纳RS422/485 串行方式；软件接口协议采纳 MODBUS RTU模式，消息帧中的每个8Bit 字节包含两个 4Bit 的十六进制数字字符；图 2 中的微掌握器 AT89S52 扩展了 2 个通讯口，一个是RS232 串口预留备用，另外通过芯片 MAX485扩展 RS485 接口； AT89S52 作为主站微掌握器，它通过RS485 总线方式，将多台 V7 变频器和具备 MODBUS RTU接口的智能型从站组成一个数字通信掌握网络；AT8 9S52 可以向从站变频器发送参数设置、启停、数据查询等指令，而变频器就依据指令要求掌握电机系统运行，并返回信息；该系统不仅可以实现对沟通电机的远程掌握，而且仍可以通过 89S52 与人机界面连接，完成整个生产线的启动、升速、降速停车等操作和监控（模拟图显示、参数设置和只要历史记录数据浏览）；该系统的优点在于：（1） 89S52 直接利用 MODBUS 协议对沟通变频器读写，无需使用其它附件进行组态，简化了硬件，并可实时猎取各变频器的工作状态，包括运行状态、运行参数、故障报警等；（2）主站掌握器与从站变频器之间的连接只有两根通信线，极大较少了线路连接的复杂性，提高了系统牢靠性；（ 3）延长了系统的掌握距离；4 采集电机各运行参数并显示在LCD 上，不需要各种现场智能外表，极大地较少了线路连接的复杂性；（5）能与高精度网络便利地进行交换信息，从而实现工厂高度自动化；通过主站掌握器的设置按钮，可以对系统操作参数进行设计，对于一些重要的参数直接储备在32K 字节的 EEPROM 芯片 AT24C32 中；通过设置变频器参数，可实现系统运行在手动或程序自动掌握模式下，并可自由切换；3.2 系统软件设计单片机程序使用 C51 语言编写，采纳自上而下的模块化设计方法，整个程序包括系统初始化、串口发送、串口中断接收、485 通讯、 LCD 显示、键盘接收、报警等功能子模块；应用程序中， MODBUS 协议通信由通讯子模块实现，包含CRC-16 运算与验证、信息帧的编制和分解；每一条指令可以对指定地址的变频器进行操作；信息帧中包括数据的字节数、起始地址等； V7 变频器只使用3 个功能码： 03H 、08H 、10H ，分别实现数据读出、回路反馈测试和数据写入的功能，其描述如表1 所示；为了实现 MODBUS 总线掌握，需要预先设置变频器的操作参数： n003=2 （设备启停通过总线方式掌握），n004 6（输出频率由总线通信方式掌握）， n151 n157 中完成通信参数的设置；本系统中，将变频器设置为无超时检测、频率指令单位为O.01HZ 、通信波特率为 9600bps、无奇偶校验、 8 位数据位、 1 位停止位、 RS 掌握，而变频器地址可以设为0 32；设置好变频器参数之后，掌握器可以通过RS485 总线发送通信指令，通信流程可以由图3 表示，单片机的主站指令与变频器/智能设备的响应信号之间具有肯定的时间间隔，在程序中需要通过循环延时语句实现；4 结语我们将本文开发的MODBUS 总线掌握变频调速系统应用于月饼自动包陷生产线中；在该生产线上，以单片机为核心的掌握器通过MODBUS 总线掌握 4 台 V7 变频器，这 4 台变频器通过变速机构和电机分别掌握一个月饼的外陷量、内陷量、皮量和刀盘的收口频率；实践说明， MODBUS 总线通信、变频调速和液晶显示技术的应用，削减了掌握系统的布线数量，提高了系统集成度和牢靠性，月饼成分可在大范畴内随便调整，其良好的用户界面大大改善了设备的操作性能，提升了产品的市场竞争力；因此，直接利用MODBUS 协议对其组网监控，是机械设备掌握系统获得低成本、高性能的好途径；参考文献：1. 阎文生 , 杨炜，陈世权等.变频调速器在给粉机转速掌握系统改造中的应用.电力学报， 200 0（ 2） .2. 章绍东 .通用变频器的原理与设计.电子质量， 2003（ 12） .3. 卢文俊，冷杉，杨建军.基于 MODBUS 协议的掌握器远程监控系统. 电力自动化设备，20 03， 236.4. 徐涛，闫科，赵景林 . 基于 MODBUS 协议的串行接口实现与DCS 通讯 .工业掌握运算机， 2002，15（ 3） .5. 潘洪跃 . 基于 MODBUS协议通信的设计与实现.计量技术， 2002,4.6. 王有庆，田涌涛，李从心2，（ 6） . 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