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第二章 变频器通讯控制方案

第一节 变频器通讯控制的目的

基于对现场总线的认识，我们可以归纳出变频器通讯控制四个目的：
1、 实现变频器配置参数的远程设置
2、 实现变频器运行的远程调试
3、 实现变频器的远程控制和监视
4、 实现变频器的远程故障管理及故障后重启

一、变频器配置参数的远程设置

变频器的配置参数包括通用配置参数、传动配置参数、I/O配置参数、和故障配置参数等。这些参数对变频器的正常工作至关重要，必须在变频器运行之前(停止状态)进行正确设置。
传统上，我们通常采用变频器上的操作面板对这些参数进行本地设置，尤其在变频器数量较多的情况下，需要对每一台变频器进行操作，工作量较大，同时可能会出现参数设置的遗漏和误操作等现象，造成变频器工作不正常；此外由于变频器的配置参数仅存储于变频器的内存中，尤其在修改变频器参数和需要更换变频器的场合，无法实现对变频器参数的统一管理，。
采用通讯控制方式时，可以利用现场总线的集中管理功能，通过远程的上位机编程，自动将每台变频器需要调整的参数进行统一设置和修改，避免了参数设置的遗漏和误操作现象。同时，由于这些参数存储于上位机中，我们可以实现变频器参数的统一管理，为文件的归档和类似系统的后续开发提供了便利；在维修更换变频器时，可以通过上位机程序的运行实现对变频器参数的无差错复制设置，提高了系统的可维护性。
实际应用中，采用通讯方式对变频器配置参数的设置完成后，需要通过上位机发出指令将这些参数固化在变频器的EEPROM中(通过操作面板设置时变频器自动完成固化)，以免变频器关电重启时修改的参数丢失。

二、实现变频器运行的远程调试

变频器在工作过程中(运行或停止状态)，需要根据工艺要求和机械负载等条件对变频器的运行参数进行调整，如变频器加减速时间、PID调节参数等。
传统上，这些参数都是通过变频器操作面板的设置，同时配合变频器的逻辑输入口状态完成的。但在这些参数需要频繁修改或输入口数量不足的场合则无能为力了。
采用通讯控制方式可以充分解决上述问题。通过远程上位机的编程，可以根据需要实时修改变频器的运行参数，无须考虑变频器的逻辑输入口，充分利用变频器提供的功能，实现变频器的最优控制。
实际应用中，由于调试过程的复杂性，更多的用户会选择本地调试的方式，即通过变频器操作面板和控制端子进行调试。变频器的通讯控控制方式一般都同时提供通讯控制和本地控制切换的功能，即通过变频器通讯控制参数的内部设置或通过变频器某一逻辑输入口的状态，实现通讯控制和本地控制之间的相互转换。这样，可以通过本地控制的方式对一台变频器进行调试，调试完毕后，切换回通讯控制方式，将调试后的参数存储在上位机中，然后方便地实现对总线其它以同样参数运行的变频器的远程调试。
通讯控制和本地控制切换功能的另一个应用场合是在通讯控制出现故障(如线路断开或上位机故障)时，通过本地控制方式控制变频器继续运行。

三、实现变频器的远程控制和监视

变频器的主要控制方式是实现电机的启动、停止和转速给定，控制机械系统按设定方式正常工作，实现提高产品质量、提高生产率、以及节能等目标；同时对电机和变频器的状态进行监视，实现机械系统的合理运行和对环境的适应和改善等目标。
传统的方式主要通过本地控制端子(包括模拟量输入口和逻辑输入口)实现变频器的控制，通常会带来硬件成本增加、逻辑输入口数量不足、模拟量传输不稳定、以及给定精度不够、接线点多等问题；对变频器的监视也受限于模拟量输出口和逻辑输出口的数量，无法得到足够的信息。
采用通讯控制方式可以通过串行电缆的简单连接以数字通讯方式实现变频器的远程控制和监视，不仅节省了上位机A/D、D/A模块以及的成本支出，忽略了变频器上模拟量I/O和数字量I/O的不足，而且实现了转速给定的高精度和高稳定性，同时可以使上位机从变频器方面得到充足的信息，即可以实现机械系统的有效运行，又可以满足工厂信息系统管理的要求。
对变频器的远程集中控制和监视还可以扩展变频器使用的领域，如实现系统多个电机的同步控制、恒转矩恒线速度控制、和能源管理等。

四、实现变频器的远程故障管理及故障后重启

我们知道，一个系统的可靠性体现在两个方面，一个是系统的平均无故障时间，这是系统可靠性的硬指标，是系统选择的前提；另一个是系统的平均故障修复时间，是系统可靠性的软指标，决定系统的正常运行能力。对变频器而言，变频器的故障管理是其可靠性的软指标，对故障处理不当，轻者导致变频器和电机的损坏，重者会使整个系统瘫痪。因此，对变频器故障的合理有效管理至关重要，不可忽视。
通常，变频器自身就能够提供充分的保护功能，如过载、过流、过压等保护；但必须注意的是，这些保护措施往往仅在单机作业的场合比较有效，在多电机联动等场合就相形见绌了。因为联动的系统中，故障往往只出现在某一个环节，甚至可能是一个变频器或电机之外的很小的环节，如传感器或继电器故障，但如果处理不当，就可能使整个系统发生一连串连锁故障，造成重大的损失。
现场总线可以将整个系统的各个智能元件连接起来，通过信息共享的方式集中统一管理，一旦某一环节发生故障，上位机可以根据预先编好的程序，及时有效地采取相应的措施，最大地避免故障所造成的损失；同时还可以通过人机接口清晰地显示出系统中的故障点、故障原因、以及相应的解决措施，便于操作者在最短的时间内排除故障。
故障管理合理有效的另一个指标是在最短的时间内实现故障后重启，现场总线技术为实现这个目标提供了可能性。上位机通过可以实时综合系统中所有部件的信息，准确地判断出系统的状态，在故障排除后及时恢复系统的正常运行，避免了信息不明确或人工干预不当等现象的发生。

第二节 变频器通讯控制方案的选择

在变频器通讯控制方式的应用中，用户往往回先入为主地认为，变频器通讯方式控制的可靠性不及传统的端子控制方式。我们认为，这种看法是片面的，因为从硬件角度看，这两者之间仅仅是连接方式的不同，即串行连接和并行连接的不同，发生在通讯方式控制下的故障原因同样可能出现在端子控制方式中，关键在于如何合理地选择变频器通讯控制的方案，并采取正确的连接方式和有效的抗干扰措施。
对变频器通讯控制方案的选择应该从以下四个方面统筹考虑：
1、 总线拓扑结构的研究
2、 系统响应时间的研究
3、 不同操作模式的研究
4、 系统实用性的研究

一、总线拓扑结构的研究

总线拓扑结构的研究应从完整的总线方案着手，在企业信息系统的大前提下，兼顾过程控制设备之间的区域总线，尤其是在其它控制设备已应用的设备总线的基础上，选择变频器通讯控制应用的设备总线。其原则是保持系统的一致性和兼容性，尽量避免在一个系统中采用结构体系完全不同的两种总线，导致系统复杂性、高成本和系统集成工作量的加大。
具体选择主要体现在变频器连接的拓扑结构、连接变频器的数量、数据传输需要的距离等方面。

1、变频器连接的拓扑结构
大部分现场总线是基于RS485物理层的，同时对总线的拓扑结构作出了规定，并提供了相应的连接电缆规格和连接附件。
事实上，一旦确定了变频器通讯控制采用的现场总线，其连接的方式也同时确定了，在实际应用中，应严格按照相应现场总线的规范进行连接，任何改动或不规范的连接都可能导致数据通讯的不正常。
2、连接变频器的数量
实际系统中需要连接变频器的数量是选择现场总线的一个直接的指标。通常连接变频器的数量越多，越需要选择更高效、更复杂的现场总线，有时还会出现两种以上的现场总线，成本也会相应提高。
所有的现场总线对其能够连接的站点数量都有明确的定义，同时，由于变频器本身所采用的接口元件驱动功率的因素，往往连接变频器的数量少于现场总线所定义的最大连接站点数。因此，在选择变频器通讯控制的现场总线时，一定要留意查阅相应变频器通讯手册中规定的最大连接数量。
3、数据传输需要的距离
数据传输需要的距离决定于变频器和同一总线上的其它设备的分布情况，是选择现场总线的另一个直接的指标。通常情况下，设备间数据传输的距离与传输的速率成反比，而且在超出一定范围时，需要考虑采用中继器和光纤等长具体传输措施。
从系统可靠性、可操作性和可维护性角度出发，我们建议变频器连接的距离不宜过长。如果距离确实很远，可以考虑采用分布式控制方式，即在本地设置一个控制器实时控制变频器，再通过其它远程联网的方式(如无线通讯或公共电话交换系统)实现中央控制器和本地控制器之间的信息交换。

二、系统响应时间的研究

系统响应时间是决定变频器通讯控制方案的关键因素，由于现场总线技术的基础是串行通讯，尤其是低速串行通讯方式，在实时响应方面与传统的并行连接控制方式有一定的差距，在某些关键的场合甚至可能因系统响应不及时而导致事故的发生。因此，在系统实时性要求较高的场合，对变频器通讯方案的选择有两个原则：

1、 采用高速通讯现场总线
高速现场总线的传输速率一般都在1M bps以上，同时，其应用层提供了实时交换必要信息(周期型数据)的功能，可以满足大部分情况下系统实时控制的要求，但可能付出较高的成本。
2、交换数据的数量最小化
交换数据的数量越少，现场总线系统的效率越高，实时性也就越好。
一般情况下，可以将变频器需要交换的信息分成正常工作和例外情况两类。正常工作的信息是指少数有限的必不可少的数据，如变频器的启/停控制、速度给定、以及状态监测和必要的运行信息等参数，这些数据必须在变频器工作过程中进行实时交换；例外情况的信息是指正常工作信息之外的大部分数据，包括变频器的配置、调试、以及故障管理等辅助参数，这些数据一般在变频器正常工作前后进行交换，而不需要在工作过程中实时进行。
根据这个原则，我们可以在编程时对交换的数据进行相应的处理，既充分利用变频器通讯控制方式所带来的优势，又通过尽量少的数据交换量满足系统实时控制的要求。

三、不同操作模式的研究

变频器通讯控制的操作模式并不是一成不变的，在实际中，可以与传统控制方式相结合，根据实际需求加以灵活应用。
变频器通讯控制的具体操作模式归纳起来有中央控制模式、串并结合模式和信息采集模式三种。

1、中央控制模式
中央控制模式是最常用的变频器通讯控制方式，它以中央控制器为核心，将变频器作为现场总线上的各个站点，受中央控制器控制和监视，构成逻辑上的主从控制方式。
中央控制模式的优点显而易见，它可以最大限度地利用现场总线的优势，实现最大信息量的数据交换；其缺点是对现场总线的依赖，一旦总线出现故障将造成整个系统的瘫痪，因此，在某些关键场合，中央控制模式常与传统的本地控制方式相结合，在总线出现故障时，及时切换到本地控制方式，以保证系统继续运行。
2、串并结合模式
串并结合模式是将现场总线数据传输的优势和本地控制的实时性相结合的一种方式，典型的作法是通过现场总线传输速度给定和变频器监视等信息，通过变频器上的端子实现变频器的启动和停止。
串并结合模式的优点是以直接的方式控制变频器的启动和停止，这一点在某些安全性要求较高的场合显得尤为重要，并且从一定程度上打消了部分用户对变频器通讯控制可靠性的疑虑；缺点是增加了部分成本，尤其在变频器数量较多和距离较远的情况下需要更多的电缆连接。
值得注意的是，因为变频器是一个执行元件，出于防止可能出现的变频器接收多重相互矛盾的控制指令等原因的考虑，有些厂家的变频器并未设置这项功能。因此，在确定应用这种操作模式时，必须预先确认适合的变频器。
3、信息采集模式
信息采集模式实际上是串并结合模式的另一种形式，其本质仍然是传统的本地控制模式，但在其基础上叠加了变频器信息采集的功能，即上位机仅对变频器运行的信息进行读取，而不进行任何写入操作，信息的流向是单向的。
信息采集模式的优点是变频器传统控制方式和现场总线通讯方式的充分结合，尤其适用于系统改造和升级换代的场合；缺点也显而易见，现场总线的优势没有得到充分的发挥，因此通常采用实时性不强的低速串行连接方式简单实现。

四、系统实用性的研究

系统的实用性决定了变频器通讯控制方案的成败，除上述提到的总线拓扑结构、连接变频器的数量、数据传输的距离、以及系统响应的时间和不同的操作模式外，还有几个至关重要的因素需要考虑，包括系统的成本、方案的简单性和总线的开放性等。

1、系统的成本
系统的成本是系统方案成败的关键，过高的成本投入往往会使整个方案止步不前。因此，如何在系统的性能和成本控制之间进行权衡常常是选择变频器通讯控制方案的前提。
我们知道，现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志就是确实能降低系统成本；同时，另一个明显的标志就是该现场总线在其适用范围内是否得到了广泛的使用。根据这两个原则，我们不难在选择现场总线时作出正确的决定。
事实上，系统的成本不仅体现在系统集成方案的初始投入上，还同时体现在系统集成的过程、以及系统后期维护的各个方面。因此，在选择变频器通讯方案时，应该从全局和长期的角度考虑，而不应仅仅局限于初始投入。
2、方案的简单性
我们这里所说的“简单”，是指将复杂的控制方式简单化。变频器通讯控制方案的简单性常常体现在“系统集成解决方案”的概念中。
“系统集成解决方案”是指生产厂家将复杂的控制技术(包括现场总线技术)预先集成在其提供的各种控制产品中，就像控制理论中的“黑盒子”，用户只需根据系统要求进行简单的连接和相应的编程操作，就可以达到预定的目的，而无须关心具体技术是如何实现的。
例如，变频器生产厂家在其提供的变频器通讯方案中预置了必要的周期型数据交换功能，数据在总线联通的情况下自动在控制器和变频器之间进行交换，
用户只需通过简单编程对控制器相应内存进行读写操作，即可实现对变频器的控制和监视，而无须编写任何通讯程序。
由此可见，方案的简单性为用户提供了无与伦比的便利条件，也为相应现场总线的广泛应用提供了可行性。
3、总线的开放性
真正意义上的“开放”是对用户的开放，给用户和其它生产厂家进行进一步开发提供可能。“开放”是现场总线发展的方向。
应该说，目前市场上流行的现场总线都具有一定的开放性，并在一定范围内形成了相应的标准，不同厂家生产的遵从同一标准的产品之间具有互操作性和互换性，用户可以根据自己的实际需求和经济实力选择相应的方案。
但由于市场竞争和商业利益的因素，真正完全开放的现场总线目前还非常少，用户希望利用现有的现场总线技术进行自行开发，构建最经济、最优化的系统还不太现实。因此，我们必须理解目前多种总线、多种标准并存的局面。

第三节 变频器通讯控制标准

据我们了解，目前还没有真正的变频器通讯控制标准。在实际应用中，有一个相关的部分厂家变频器遵从的标准，即DRIVECOM 标准。
DRIVECOM 标准形成的起因是一些变频器生产厂家为实现其设备基本功能的标准化而制订的一个统一格式(Profile)，最早应用于Interbus总线，用以确定在同样的Interbus总线上，用户可以在不同的变频器之间进行相同的操作。具体说，一台遵从DRIVECOM标准的变频器可以为另一台遵从同样标准的变频器所替换，而控制器对该设备的处理方式是相同的。
DRIVECOM标准格式是一个状态图(参见图2-1)，图中的方框是变频器的每个状态，由状态寄存器(ETA)的值给出；图中的箭头表示变频器状态的改变，根据不同控制寄存器(CMD)值的发送，或一个突发事件而变化。状态寄存器(ETA)和控制寄存器(CMD)是变频器通讯控制的内部参数，通过变频器的操作面板不能访问这两个参数。

一、状态寄存器(ETA)
在DRIVECOM标准中，状态寄存器(ETA)是一个16进制的数值，其每一位定义了变频器内部状态的一个方面(参见表2-1)，位的组合表示变频器的不同状态(参见表2-2)。

表2-1 状态寄存器(ETA)的定义
Bit 7
Bit 6
Bit 5
Bit 4
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
报警
接通禁止
快速制动激活
(0有效)
电压禁止
故障
操作允许
接通
接通准备好
Bit 15
Bit 14
Bit 13
Bit 12
Bit 11
Bit 10
Bit 9
Bit 8
旋转方向
按STOP键
停止
0
0
超过给定值
达到给定值
强制本地控制
(0有效)
0

表2-2 变频器状态组合
状态
Bit 6
Bit 5
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
ETA
标定值
接通禁止
快速制动
故障
操作允许
接通
准备接通
接通未准备好
0
X
0
0
0
0
16#0000
接通禁止
1
X
0
0
0
0
16#0040
接通准备好
0
1
0
0
0
1
16#0021
接通
0
1
0
0
1
1
16#0023
操作允许
0
1
0
1
1
1
16#0027
故障
0
X
1
0
0
0
16#0008
故障反馈激活
0
X
1
1
1
1
16#000F
快速制动激活
0
0
0
1
1
1
16#0007
注：ETA标定值是ETA值和16#006F相与值。

二、控制寄存器(CMD)
在DRIVECOM标准中，控制寄存器(CMD)是一个16进制的数值，其每一位定义了变频器动作的一个方面(参见表2-3)，位的组合表示变频器的不同动作(参见表2-4)。

表2-3 控制寄存器(CMD)的定义
Bit 7
Bit 6
Bit 5
Bit 4
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
故障复位
0
0
0
允许操作
快速制动
电压无效
接通
Bit 15
Bit 14
Bit 13
Bit 12
Bit 11
Bit 10
Bit 9
Bit 8
0
快速制动
注入制动
斜坡制动
正转/反转
0
0
0

表2-4 变频器动作组合
指令
过程地址
最后状态
Bit 7
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
CMD
典型值
复位
允许操作
快速制动
电压无效
接通
切断
2, 6, 8
接通准备好

X
X
1
1
1
16#0006
接通
3
接通
X
X
1
1
1
16#0007
操作允许
4
操作允许
X
1
1
1
1
16#000F
操作禁止
5
接通
X
0
1
1
1
16#0006
电压无效
7, 9, 10, 12
接通禁止
X
X
X
X
0
16#0000
快速制动
11
快速制动激活
X
X
0
1
X
16#0020
7, 10
接通禁止
故障复位
15
接通禁止
0 ® 1
X
X
X
X
16#0080

三、DRIVECOM标准状态图说明

DRIVECOM标准状态图中的文本框表示变频器的状态，包括状态名称、状
态描述、相应状态寄存器ETA数值、以及变频器操作面板上状态显示信息；箭头表示状态转变的方向，同时标注了改变状态的命令名称、相应控制寄存器CMD数值、以及转变过程编号。

1、接通未准备好状态(ETA=16#xx00)
变频器未上电，仅通讯卡初始化的状态。
此状态仅用于Interbus-S通讯卡，因为该卡可单独供电，对于其它通讯卡此状态只是初始化过程中一个过渡状态(过程1)。
2、接通禁止状态(ETA=16#xx40)
变频器上电(过程1)，初始化完成并处于锁定状态，操作面板上状态显示“NST”。 控制寄存器送出“关断”命令(过程2，CMD=16#0006)可进入接通准备好状态。
变频器处于此状态时，允许用户修改配置参数和调节参数。
3、接通准备好状态(ETA=16#xx21)
变频器仍然被锁定，处于准备接通的等待状态，操作面板上状态显示“NST”。 控制寄存器送出“接通”命令(过程3，CMD=16#0007)可进入接通状态，送出“操作使能”命令(过程3A，CMD=16#xxxF)可直接进入操作允许状态。
变频器处于此状态时，允许用户修改配置参数和调节参数。但配置参数的修改，或控制寄存器送出“电压禁止”命令(CMD=16#0000)或“快速制动”命令(CMD=16#0002)将使变频器退回“接通禁止”状态(过程7)。
4、接通状态(ETA=16#xx23)
变频器仍然被锁定，但动力部分已准备启动(无电压输出)，处于准备好状态，操作面板上状态显示“RDY”。 控制寄存器送出“操作使能”命令(过程4，CMD=16#xxxxF)可进入操作允许状态，送出“关断”命令(过程6，CMD=16#0006)可回到接通准备好状态。
9
电压禁止
CMD=16#0000
或
配置参数修改
(电机停止)
或
操作面板
STOP键
或
控制端子
停止命令
图2-1 DRIVECOM标准状态图

CMD =16#000F : 正转
CMD =16#080F : 反转
CMD =16#100F :斜坡减速制动
CMD =16#200F : DC注入制动
CMD =16#400F : 快速制动
示例：
ETA =16#0627 : 正常制动，正转，速度到达
ETA =16#8627 : 反转，速度到达
ETA =16#0227 : 正转，ACC或DEC
ETA =16#8227 : 反转，ACC或DEC
转换条件
CMD=16#xxxx
图例
状态名称
状态描述
ETA=16#xxxx
“操作面板显示“
X
故障消失
故障复位
CMD=16#0080
15
11
紧急制动
CMD=16#000B
12
电压禁止
CMD=16#0000
或
配置参数修改
(电机停止)
或
操作面板
STOP键
或
控制端子
停止命令
紧急制动激活
紧急制动
ETA=16#xx07
“RDY, DEC,DCB“
故障
变频器故障
ETA=16#xxx8
“故障代码“
14
10
电压禁止
CMD=16#0000
或
配置参数修改
(电机停止)
8
关断
CMD=16#0006
操作使能
CMD=16#XXXF
3A
操作允许
变频器运行
ETA=16#xx27
“RDY, RDY“
操作禁止
CMD=16#0007
操作使能
CMD=16#XXXF
4
5
接通
变频器准备好
ETA=16#xx23
“RDY“
关断
CMD=16#0006
接通
CMD=16#0007
6
3
关断
CMD=16#0007
电压禁止
CMD=16#0000
或
快速制动
CMD=16#0002
7
2
接通准备好
变频器等待
ETA=16#xx21
“NST“
接通禁止
变频器锁定
ETA=16#xx40
“NST“
故障反应激活
ETA=16#xxxx
接通未准备好
变频器断电
ETA=16#xx00
1
13
所有状态
0
进入状态图

变频器处于此状态时，允许用户修改配置参数和调节参数。但配置参数的修改，或控制寄存器送出“电压禁止”命令(CMD=16#0000)将使变频器退回“接通禁止”状态(过程10)。
对电机进行自整定操作(Auto-tuning)时，因为需要电流的注入，变频器必须处于这个状态。
5、操作允许状态(ETA=16#xx27)
变频器处于正常工作状态，动力部分有电压输出，操作面板上状态显示“RDY或RUN”等。此时，可以接受控制寄存器送出“正转” (CMD=16#000F)、“反转” (CMD=16#080F)等启动命令或“减速制动” (CMD=16#100F)、“直流注入制动” (CMD=16#200F)、“快速制动” (CMD=16#400F)等停止命令。控制寄存器送出“操作禁止”命令(过程5，CMD=16#0007)可回到接通状态，送出“关断”命令(过程8，CMD=16#0006)可直接回到接通准备好状态，送出“紧急制动”命令(过程11，CMD=16#000B)可进入紧急制动激活状态。
变频器处于此状态时，只允许用户修改调节参数。配置参数的修改、或控制寄存器送出“电压禁止”命令(CMD=16#0000)、或来自操作面板或控制端子的停止命令，都将使变频器退回“接通禁止”状态(过程9)。
6、紧急制动激活状态(ETA=16#xx07)
变频器处于紧急制动状态，只能转入“接通禁止”状态后重新启动，操作面板上状态显示“RDY或DEC或DCB”等。
配置参数的修改、或控制寄存器送出“电压禁止”命令(CMD=16#0000)、或来自操作面板或控制端子的停止命令，都将使变频器回到“接通禁止”状态(过程12)。
7、故障反应激活状态(ETA=16#xxxx)
任何故障都将导致变频器进入故障反应激活状态(过程13)，这是一个过渡状态，变频器将根据故障的类型执行相应的动作，同时进入故障状态(过程14)。
8、故障状态(ETA=16#xxx8)
变频器处于故障状态，操作面板上状态显示相应的故障代码。
变频器处于此状态时，只能在故障消失、或来自操作面板或控制端子的故障复位命令、或通过控制寄存器送出“故障复位”命令(CMD=16#0080)，转入“接通禁止”状态后重新启动(过程15)。

DRIVECOM状态图不适用于DeviceNet。在应用DeviceNet时，状态图由通讯卡控制，自动切换到“操作允许”状态。PLC只须将控制寄存器的“运行指令”置为“1”而无需考虑DRIVECOM启动顺序。

图2-2 ATV58变频器扩展卡

第四节 ATV58系列变频器的通讯功能

ATV58系列变频器是施耐德电气公司推出的通用型变频器，在其本体上内置了RS485多点通讯的简化Modbus协议接口，同时该变频器内部具有并行总线接口，可以通过插入附加卡的方式扩展变频器的功能(见图2-2)。
通过将现场总线技术集成在扩展卡的方式，ATV58系列变频器提供了大量常用现场总线的解决方案，可以方便地接入各种现场总线控制系统，实现变频器的通讯控制功能。
ATV58系列变频器的功率范围从0.37KW到75KW，覆盖80%以上的变频器应用场合；施耐德电气公司还同时推出了与ATV58系列变频器具有同样通讯控制解决方案的具有闭环磁通矢量控制功能的ATV58F系列变频器(功率范围从0.75KW到55KW)，和风机泵类专用的ATV38系列变频器(功率范围从0.75KW到315KW)；以及仅具有内置简化Modbus协议通讯接口的ATV28系列经济型通用变频器(功率范围从0.37KW到15KW)。
本书即以ATV58变频器为例介绍各种常用现场总线的变频器通讯控制功能以及PLC控制具体实现方法，有关其它厂家变频器的通讯控制方式可参考相应的用户手册。

一、ATV58系列变频器通讯接口

ATV58系列变频器提供三种方式的通讯接口。

1、集成通讯接口
这是一个内置于ATV58系列变频器本体上的RS485通讯接口，采用简化的Modbus协议，可以直接通过RS485总线的点到点或多点连接的方式，实现主控制器(工控机或PLC)对变频器的通讯控制功能，无须任何额外成本，为用户提供了最经济的现场总线连接方案。
集成通讯接口的另一个应用场合是采用RS485到RS232的转换电缆与计算机连接，通过运行施耐德电气公司提供的“PowerSuite”变频器调试软件，统一实现计算机对变频器的参数设置、调试、以及文件归档等功能。
需要注意的是，ATV58系列变频器的集成通讯接口与操作面板共用一个D型9芯连接器，在采用集成通讯接口对变频器进行通讯控制时，无法同时实现操作面板的显示和操作功能，需要时，必须应用通讯扩展卡。
2、低速通讯扩展卡
低速通讯扩展卡是ATV58系列变频器的Uni-telway、Modbus/Jbus协议通讯扩展卡，用于将ATV58系列变频器连接在Uni-telway、Modbus/Jbus网络中。其中，Uni-telway协议是施耐德电气公司的标准串行连接协议，Jbus协议是Modbus协议的一个改进版本，我们将在下一章中做简要介绍。
所谓“低速”是指Uni-telway、Modbus/Jbus网络的数据传输率最大为19.2K bps，相对于其它现场总线传输速度较低。ATV58系列变频器的集成通讯接口也同样属于低速通讯的范畴。
低速通讯方式的优点是可以根据用户的实际需求，构建经济的串行连接总线，除必要的连接电缆和连接附件外，无须更多的成本，因而在对通讯的实时性要求不高、连接变频器的数量不是太多(少于31台)的场合，低速通讯方式的应用非常普遍、实用。
ATV58系列变频器的Uni-telway、Modbus/Jbus协议通讯扩展卡的型号是VW3-A58303。
3、高速通讯扩展卡
高速通讯扩展卡是ATV58系列变频器除低速通讯扩展卡之外的其它现场总线通讯扩展卡，数据传输率从166K bps到10M/100M bps不等。
高速通讯扩展卡包括FIPIO、Modbus+、Ethernet、Profibus-DP、DeviceNet、Interbus-S、CAN-Open、AS-i 等，参见表2-5。
高速通讯方式除传输速度较高外，另一个显著的特点是相应现场总线都符合相应的标准，具有完整的网络体系结构。不仅可以实现现场总线控制系统的开放性、互操作性、和互换性，同时也为用户的应用程序了提供周到的接口程序，为用户的系统集成带来了极大的便利。

需要注意的是，ATV58系列变频器只提供了一个并行总线扩展接口，当应用通讯扩展卡时，不能同时使用其它功能的扩展卡，如I/O扩展卡、简单定位卡等。

表2-5 ATV58系列变频器通讯接口
通讯接口
协议
最大传输率
网络特性(理论上)
连接变频器数
型号
集成接口
Modbus
19.2K bps
最大256个地址
18个设备(1)
-
低速通讯
Modbus/Jbus
Uni-telway
19.2K bps
对Uni-telway：
最多28个设备，98个可用地址
28个设备，31个可用地址
VW3-A58303
高速通讯
FIPIO
1M bps
最大128个站点
其中，0号为总线主控器，63号保留
52个设备，62个可用地址
(Premium PLC)
VW3-A58301(2)
Modbus Plus
1M bps
最大64个站点
55个设备，及1个控制器
VW3-A58302
Ethernet
10/100M bps

VW3-A58310
Profibus-DP
12M bps
最大127个站点

VW3-A58307
DeviceNet
500K bps
最大64个站点

VW3-A58309
Interbus-S
500K bps
最大256个站点
62个设备，及1个控制器
VW3-A58304
CAN-Open

VW3-A58308
AS-i
166K bps
最大31个站点
31个设备
VW3-A58305
注： (1) 通讯接口物理限制不能连接理论最大数，对ATV28系列变频器数量为8个设备。
(2) 对ATV58F系列变频器型号为VW3-A58311。

二、ATV58系列变频器控制模式

ATV58系列变频器具有四种控制模式：
1、 操作面板模式(Terminal Mode)
2、 强制本地模式(Force Local Mode)
3、 总线模式(Line Mode)
4、 本地模式(Local Mode)

1、操作面板模式
变频器通过操作面板控制，变频器参数通过操作面板读写。
采用操作面板模式时，必须在变频器处于停止状态时，通过操作面板将控制菜单中的“LCC”(Keypad Comm.，操作面板通讯)参数设置为“Yes”，以激活通过操作面板控制变频器功能。可以通过操作面板上的STOP/RESET、RUN、FW/RV键控制变频器运行和停止，速度给定由调整菜单中的“LFR” (Freq. Ref.-Hz，给定频率)参数给出，自由停车、快速停车和直流注入制动命令保留为端子控制。
如果变频器与操作面板的连接断开，变频器将锁定在串行连接故障(SLF)。
采用其它控制模式时，“LCC”参数必须设置为“No”，以屏蔽操作面板控制变频器功能。
2、强制本地模式
变频器通过控制端子控制，变频器参数可以通过通讯接口读出，但不允许写入。
采用强制本地模式时，需要在变频器处于停止状态时，通过操作面板在I/O菜单将变频器的一个逻辑输入口设置为“FLO”(Forced Local，强制本地运行)方式，将该逻辑输入口与公共端(+24V)接通，可以实现通讯控制方式到端子控制方式的切换。

3、总线模式
变频器通过通讯总线控制，变频器参数可以通过通讯接口读写。在通过总线模式控制变频器前，必须写入控制寄存器CMD一次以激活该功能。
对于集成通讯接口和通讯扩展卡，只有其中一种连接可以控制变频器，通讯扩展卡具有优先权。采用通讯扩展卡控制变频器时，还可以同时应用集成通讯接口读写变频器配置参数(变频器停止时)和调节参数，以及读取监控参数。
4、本地模式(不同于强制本地模式)
变频器通过控制端子控制，变频器参数可以通过通讯接口读写。
采用本地模式时，仍然可以通过通讯接口监视、调试及配置变频器，但不允许通过控制寄存器CMD向变频器发送运行指令。在采用高速通讯方式时，由于CMD是一个周期型数据自动进行交换，需要将CMD的第15位和第8位同时置“1”(如数值16#8100)，以保持本地模式和变频器通讯共存。

图2-2 本地/总线控制模式状态图
注：ETI指变频器内部状态寄存器No.1
接通
“强制本地运行”
逻辑输入口
断开
“强制本地运行”
逻辑输入口
写入
CMD=
2#0xxx xxx0
xxxx xxxx

接受端子控制指令
允许通过总线读写参数
ETI = 2# x00x xxxx xxxx xxxx
ETA = 2# xxxx xx1x xxxx xxxx
本地模式
高速通讯故障
(CNF)
或
切换到
本地模式
CMD=
2#1xxx xxx1
xxxx xxxx

接受CMD控制指令
允许通过总线读写参数
ETI = 2# x11x xxxx xxxx xxxx
ETA = 2# xxxx xx1x xxxx xxxx
总线模式(DRIVECOM格式)
接受端子控制指令
允许通过总线读参数(写禁止)
ETI = 2# x00x xxxx xxxx xxxx
ETA = 2# xxxx xx0x xxxx xxxx
强制本地模式
接通
“强制本地运行”
逻辑输入口

ATV58系列变频器不具备上文中提到的串并结合操作模式功能，其本地模式和总线模式的状态转换见图2-2。
三、ATV58系列变频器内部通讯变量

ATV58系列变频器提供了几乎全部内部通讯变量，按功能分成8组，分别是通用配置参数、传动配置参数、I/O配置参数、故障配置参数等配置参数、以及调整参数、控制参数、监视参数和“DRIVECOM”参数其它参数，利用这些参数可以最大限度地实现变频器的全部通讯控制功能。
其中，四种配置参数用于变频器的初始设置，只能在电机停止时进行；调整参数