基于Modbus通讯协议变频器速度给定系统的改造及设计

吴 征，喻支乾

(催化剂齐鲁分公司，山东 淄博 255300)

1 变频器频率设定方式及Modbus通讯协议应用

变频器是一种通过改变三相电源频率，进而调节电机转速的电力电子设备，其频率设定方法包括：面板设定、电压信号设定、电流信号设定以及通讯数据设定。对于安装于控制现场的变频器可采用面板设定频率的方法，但由于现场环境恶劣，变频器一般安装于配电室内。电压信号设定是利用安装于现场操作柱的电位器调节0～10 V的直流电压信号输入变频器，实现频率的设定，在防爆区域需使用防爆操作柱，操作柱与变频之间需安装带屏蔽的控制线，由于直流电压信号在线路上的衰减，控制线路长度有所限制，且不易实现闭环控制系统。电流信号设定，一般以仪表DCS作为电流信号源，由DCS输出4～20 mA电流信号，变频器将此信号转换为0～50 Hz的设定频率，由于电流信号不存在压降，故控制线路可较长，并且因为DCS的控制，可以方便地实现闭环控制。通讯数据设定普遍采用工控机及变频器的RS485接口进行数据传输，采用Moubus通讯协议，传输介质采用双绞线，一条双绞线可带32台设备，这样可节约大量的控制电缆和现场操作柱，工控机和变频器采用半双工通讯方式，工控机即可对变频器写数据，实现变频器开停车及频率设定，也可对变频器读数据，实现变频器的运行参数(电流、转速、频率、电压等)的上传。

Modbus通讯协议是一种广泛应用于工业现场总线的开放式通讯协议，采用串行数据通讯，一帧数据由地址域、功能码、数据域、差错校验四部分组成，通讯接口一般采用RS485接口，传输距离可达到1 km，其数据传输采用主从结构，即一台设备作为主机，总线上并接的设备作为从机，这非常适合于工业企业对现场设备集中控制的思想。图1是其控制网络结构图。

图1 控制网络结构

在分子筛的制备工艺中，物料和液体添加剂保持一定的配比，生产中需根据物料流量不断调整添加剂流量。为满足生产自控的要求，设备供应商专门开发了由工控机(软件及硬件)、变频器、流量变送器组成的闭环控制系统。工控机采集物料流量，由此计算出添加剂流量，计算结果与采集的添加剂流量进行差值比较，比较结果通过比例(P)、积分(I)、微分(D)计算，计算结果即为变频器的转速设定值，通过调整变频器的转速调节添加剂物料泵的流量。工控机的转速设定值为数字信号，此信号通过Modbus通讯协议，经工控机485接口、485总线、变频器485接口，送至变频器，作为变频器的速度设定值。其控制网络结构如图一所示，其中主机为工控机，从机为变频器。本套系统，在实际的应用过程中存在以下两方面的问题：

(1)由于工控机软件开发仅针对某一特定型号的变频器，其它型号的变频器由于Modbus通讯数据功能码、数据寄存器地址、校验码等方面的不同，不能应用于本系统。在变频器损坏，且由于使用时间长，同型号变频器很难购买的情况下，其它型号的变频器不能替代使用。

(2)在通讯系统出现故障时，由于通讯数据为二进制格式，不能通过使用传统仪表测量通讯信号，不能迅速准确及时地判断是仪表通讯故障还是电气设备故障，延长故障判断及处理时间。

2 控制系统改造方案设计

对控制系统改造的目的，是为了解决第一章中列举的系统存在问题。

解决问题的关键是将设定变频器频率的信号转变为通用的可直观测量的适用于所有变频器的标准信号，同时还要兼顾Modbus通讯控制的优点，为此，在通讯线路的末端即变频器接收信号前，将Modbus通讯数据中的二进制频率设定数据进行数模转换(D/A转换)，转换成标准的4-20mA信号，再送入变频作为频率设定信号，同时，该系统能将工控机设定频率以十进制方式通过LED数码管进行显示，维护人员可通过该显示的数据与工控机设定数据是否一致，直观迅速地判断通讯系统是否出现故障。

实现以上功能，硬件上以可编程单片机嵌入式系统为核心，单片机接受RS485格式通讯数据，将频率设定的二进制数据进行截取存储，此数据一路送入LED数码管显示，一路送入数模转换电路进行转换。软件上，当485总线上存在通讯数据时，首先进入中断服务程序，将此数据存储，然后判断接收的一帧数据中，地址及写命令是否符合变频器格式，如果符合就截取频率设定值数据并存储，将此数据进行数模转换并显示，如果不符合，不对数据进行处理。

采用单片机的异步串行接口接收数据，由于串口不能直接接收485通讯数据，设计了通讯模块进行数据的收发；LED采用4位带小数点的7段数码管，为增强驱动能力，单片机和数码管设置驱动模块。系统设计方案如图2。

图2 系统设计方案

3 控制系统硬件电路设计

硬件电路的核心选用PIC系列单片机，具体型号为PIC16F877A。Microchip公司的PIC单片机采用数据总线和指令总线分离的哈佛总线(Harvard)结构，采用两级流水线取指令方式，具有低功耗、高速度、功能强等特点，片内具有FLASH程序存储器，支持在线串行编程。本款型号的PIC单片机具有40个引脚，如图3所示。

图3 PIC16F877A

通讯模块选用MAX485芯片，封装形式为双列直插，它具备一个接收器和一个发送器，接收485总线数据，并转换为TTL电平，送入单片机，可工作在半双工方式。

图4 AD5420外观图及内部功能框图

另一个比较重要数模转换模块，采用AD5420芯片，AD5420是一款单通道、16位、串行输入的数模转换芯片，输出电流范围为4～20 mA、0～20 mA或0～24 mA，采用表贴封装形式，共24个管脚，外观尺寸为7.8 mm×4.4 mm，管脚之间的距离仅为0.65 mm，所以在PCB上焊接管脚时，有一定的技术要求。其外观及内部功能框图如图4所示。

AD5420内部主要包括输入移位寄存器、16位数模转换电路、输出驱动电路。它需要两路电源，一路DC5V为数字电路电源，一路为DC24V为模拟电路电源，其主要端子：

LATCH锁存端子，在移位寄存器接收到24位数据时，进行锁存，并送入DAC电路；

SCLK为SPI接口(外部设备接口)位同步串行时钟，在时钟的上升沿将一位数据送入移位寄存器，最高频率可达到30 MHz；

SDIN/SDO为串行数据输入/输出端子；

Iout端子为4～20 mA电流信号输出端子。

3.1 串行数据通讯电路

图5 串行数据通讯电路

图5中，单片机采用3.6864 MHz的精密晶振，在波特率设置为9600bit/s时，理论上可保证数据传输的误码率为0。单片机的RB4/RB5端子控制485芯片的发送/接收使能，来自485总线的串行数据通过RC7输入单片机的数据接收端RX，单片机的数据发送端TX通过485芯片的发送器发送至485总线。单片机及485芯片均需提供DC5V的电源。

3.2 LED显示及驱动电路

图6 LED显示及驱动电路

图6中，LED集成电路采用4位带小数点的共阴极数码管，为增加驱动能力，采用了ULN2003A驱动芯片，其内部是7个反向器，使用了其中的四路作为4位数码管的位选信号，分别由单片机RA0、RA1、RA2、RA3控制。4位数码管共用段选及小数点控制信号，由单片机的RD0至RD7共8个端子控制。位选信号控制4位数码管那一位显示，段选信号控制显示的是0至9的哪一个数字。

3.3 单片机及数模电路连接

图7中，单片机的RC3/RC4/RC5通过软件控制，模拟SPI接口，连接至AD5420的SCLK/SDIN/SDO,RB0连接至AD5420的LATCH,在AD5420接收到8位地址数据及16位转换数据共24位数据时，RB0控制AD5420进行数据锁存，并将转换数据送入D/A转换电路。AD5420需要配置DC5V及DC24V的两路电源，在AD5420的第24管脚接24 V电源，并在电源上并接TVS(双向瞬态抑制二极管)，作为过电压保护。AD5420的第18管脚作为4～20 mA电流输出信号，也并接一个TVS。

在硬件电路中还包括：上电复位电路、电源指示、接线端子。整个电路如图8所示。

图 7 单片机与AD5420连接电路

图8 整个硬件电路

硬件电路设计工具采用Altium Designer电子产品软件设计系统，首先绘制电路图，然后生成PCB(印刷线路板)电路，根据布线规则进行布线，生成PCB文件。将此文件发送至生产厂制作，然后对电子元件手工焊接。PCB文件及焊接完PCB板及封装后产品如图9、10。

图9 PCB文件

图10 PCB板及封装后产品

4 控制系统软件设计

图11 主程序功能框图

软件设计采用MAPLAB集成开发环境作为设计工具，采用C语言编程。主程序功能框图如图11所示。

软件的核心是对通讯数据的捕获及处理，由通讯中断服务程序及定时中断服务程序处理。在单片机的接收数据缓冲区接收到数据时，进入中断服务程序，同时开启定时器1，在定时器1的定时时间内，接收完一帧数据，存储至一个全局数组中，定时时间到时，进入定时中断服务程序，对数据进行处理，首先关闭定时器计数，并赋以初值，再判断接收的数据是否符合变频器地址及频率设定命令格式，如不符合，不进行处理，如符合，将二进制数据中频率设定部分的两字节数据进行截取，然后转换为十进制数据，此数据一路送入LED显示，一路送入AD5420进行数模转换，输出4～20 mA信号，送至变频器。在下一次通讯数据到来时，对接收数组中的数据进行刷新，并重复以上过程。服务程序功能框图如图12所示。

图12 中断服务程序功能框图