1、变频器通讯基础知识一、通讯协议的基础知识：1、通讯协议的含义：在所有网络软件中，除了网络操作系统外，最重要的莫过于各种各样的网络协议了。 网络能有序安全运行的一个很重要原因，就是它遵循一定的规范，就是说，信息在网络中的传递同人在街上行走一样，也要用规则来约束和规范的。网络里的这个规则就是通讯协议。换句话说，通讯协议是网络社会中信息在网络的计算机之间、网络设备之间及其相互之间“通行“的交通规则。 在不同类型的网络中，应用的网络通讯协议也是不一样的。 虽然这些协议各不相同，各有优缺点，但是所有协议的基本功能或者目的都是一样的，即保证网络上信息能畅通无阻、准确无误地被传输到目的地。 通讯协议也规定信
2、息交流的方式，信息在哪条通道间交流，什么时间交流，交流什么信息，信息怎样交流，这就是网络中通讯协议的几个基本内容。2、常见的几种通讯协议类型：1）TCP/IP 协议TCP/IP（传输控制协议/Internet 协议）是网络中使用的基本的通信协议。虽然从名字上看TCP/IP 包括两个协议，传输控制协议(TCP)和网际协议(IP)，但 TCP/IP 实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而 TCP 协议和IP 协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说 TCP/IP 是 Internet 协议族，而不单单是 TCP 和 IP。 TCP/IP 是用
3、于计算机通信的一组协议，我们通常称它为 TCP/IP 协议族。它是 70 年代中期美国国防部为其 ARPANET 广域网开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的INTERNET 是目前国际上规模最大的计算机网络，正因为 INTERNET 的广泛使用，使得TCP/IP 成了事实上的标准。2） PROFIBUS 协议PROFIBUS 是由德国西门子开发的，是一种国际化、开放式异步串行通讯标准，广泛适用于制造业自动化和楼宇、交通、电力等各行各业。与其它现场总线系统相比，PROFIBUS 的最大优点在于具有稳定的国际标准 EN50170 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加
4、工制造过程控制和自动化等。PROFIBUS 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在 10 多万成功应用中得以实现。PROFIBUS 有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。 通过 PROFIBUS，可以方便地实现各种不同厂商的自动化设备及元器件之间的信息交换。PROFIBUS 协议标准由三个兼容部分组成：PROFIBUS-DP（分布式外设） 、PROFIBUS-FMS（现场总线信息规范） 、PROFIBUS-PA （过程自动化） 。3）DeviceNet 协议DeviceNet 是由 Allen-Bradley 公司(Rockwell
5、 自动化)开发的一种基于 CAN 的开放的现场总线标准。DeviceNet 作为一种协议，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。DeviceNet 是一个开放性的协议，全世界共有超过 500 家的公司提供 DeviceNet 产品。DeviceNet 协议设计简单，实现成本较为低廉，但对于采用最底层的现场总线的系统（例如，由传感器、制动器以及相应的控制器构成的网络）来说，却是性能很高的。DeviceNet设备涉及的范围从简单的光电开关一直到复杂的半导体制造业中的用到的真空泵。就像其他的协议一样，DeviceNet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是
6、基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样，DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。4）MODBUS 协议MODBUS 是 MODICON 公司为该公司生产的 PLC 设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种现场总线。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。MODBUS 传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不须考虑通信网络的拓扑结构。 （拓扑 Topolog
7、y 在网络中形象地描述了网络的安排和配置，包括各种结点和结点的相互关系。拓扑不关心事物的细节也不在乎什么相互的比例关系，只将讨论范围内的事物之间的相互关系表示出来，将这些事物之间的关系通过图表示出来。网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做“拓扑结构“ ，通俗地讲这些网络设备是如何连接在一起的。 ）MODBUS 协议定义了各种数据帧格式，描述了控制器访问另一设备的过程，怎样作出应答响应，以及可检查和报告的错误。它有两种传送方式，RTU（Remote Terminal Unit）方式和 ASC 方式。MODBUS 把通信参与者规定为“主站” （MASTE
8、R）和“从站”（SLAVE） 。主站可向多个从站发送通信请求，最多可达 247 个从站（超过 40 站的要增加中继器，以避免信号的衰减） 。每个从站都有自己的地址编号。3、几个常用的通讯概念：1）同步通讯与异步通讯同步通讯： A，B 之间用通讯方式来完成某任务，A 向 B 发送一个信息后，需要得到 B 的确任回应后，A 才能继续发送下一个信息，这种通讯方式就是同步通讯异步通讯则不同： 如，A 一边向 B 发送信息，一边接收 B 的确认回应，叫异步通讯2）串行通讯与并行通讯并行通讯：传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校
9、验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。如下图：串行通讯：串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的长距离通讯来说，具有更大的现实意义。如下图：3）单工/ 半双工/全双工串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。由上图可见：如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方 A 传到另一方 B
10、，则称为单工。如果在任意时刻，信息既可由 A 传到 B，又能由 B 传 A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。如果在任意时刻，线路上存在 A 到 B 和 B 到 A 的双向信号传输，则称为 全双工。（如电话线就是二线全双工信道）4RS232RS422RS485 详细介绍1）RS-232-CRS-232-C 是美国电子工业协会 EIA 制定的一种串行物理接口标准。 RS 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号，C 表示修改次数。RS-232-C 总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条
11、发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C 标准规定的常用的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。RS-232-C 标准规定，驱动器允许有 2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信。 2）RS-485RS-485 总线 ,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-
12、485 串行总线。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方式，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器。若加上 8 个中继器通讯距离最长可达 9600 米。最高通讯速率可达 1Mb/s 。采用多模光纤的传输距离是 510 公里，而采用单模光纤可达 50 公里的传播距离。随着通讯速率的增加，通讯距离会变短。3）
13、RS-422RS-422 标准全称是 “平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。RS422 总线和 RS485 电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主设备（ Master） ，其余为从设备（Salve） ，从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k，故发端最大负载能力是 10
14、4k+100（终接电阻） 。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向。5RS232/RS422/RS485 的区别：RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是 RS422/RS485 与 RS232 的根本区别，因为 RS232 是单端输入输出，只适合短距离的工作。双工工作时至少需要数字地线。而 RS422 与 RS485 不需要数字地线。RS422 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响
15、，RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。而 RS485 只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线，应用简便。RS422 和 RS485 在 19kpbs 下能传输 1200 米。用新型收发器线路上可连接台设备。RS-485 需要 2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻，终接电阻接在传输总线的两端。二、变频器通讯 1变频器采用通讯方式的优点：在机器和设备的控制系统中，对变频器采用串行
16、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主要优点：一） 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(工控机)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。二）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 模块的成本费用，同时，其控制精度也得到了很大的提高。例如，对变频器采用传统的模拟量控制时，其频率
17、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)。三）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。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设置与调整对变频器调节参数的整定对变频器状态的监视及启/停控制对变频器的故障管理及其故障复位后的重新起动四)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
18、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)。2常用的几种变频器通讯方式：1）PLC 与变频器之间的通讯：P L C变频器M 13 4 8 5 接 口4 8 5 接口变频器M 23 4 8 5 接口变频器M 33 4 8 5 接口变频器M 43 4 8 5 接口变频器M 53 4 8 5 接口R S 4 8 5 总 线 ( M O D B U S )以上的配置图中，可以看出 PLC 与变频器之间通过 MODBUS 通讯，直接进行数字交换。降低了采用 DA 模块等硬件的成本，简化了接线，减少了外界的干扰信号，提高了频率控制的精度。2） 触摸屏或文本显示器与变频器之间的通讯：触摸屏或文
19、本显示器变频器M 13 4 8 5 接 口4 8 5 接口变频器M 23 4 8 5 接口变频器M 33 4 8 5 接口变频器M 43 4 8 5 接口变频器M 53 4 8 5 接口R S 4 8 5 总 线 ( M O D B U S )当要实现以上每台变频器的控制时，须配置每台变频器的设备通讯地址，触摸屏或文本显示器与变频器一致的波特率、校验方式、停止位等参数。 3） 组态监控软件与变频器之间的通讯实现：R S 2 3 2 / R S 4 8 5转 换 器变频器变频器变频器变频器变频器M 13 M 23 M 33 M 43 M 53 计 算 机打 印 机R S 4 8 5 总 线4）在
20、 PROFIBUS 网络中使用：以西门子 PROFIBUS-DP 总线为例，西门子 P L CP R O F I B U S D PP R O F I B U S D PP R O F I B U S转M O D B U S总 线 桥变频器4 8 5 接 口M O D B U S 变频器4 8 5 接 口变频器4 8 5 接 口变频器4 8 5 接 口变频器4 8 5 接 口M 13 M 23 M 33 M 43 M 53 3RS485 组网应注意的问题：1）阻抗匹配问题：信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是
21、相似的。消除这种反射的方法，就是尽量保持传输线阻抗连续，实际工程中在电缆线的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻（功耗较大）的原理就是为了减小信号反射。 （也可以采用 RC 电路和二极管）从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效的减少信号反射。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致 CRC 校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽
22、量去避免它。容易产生阻抗不匹配的情况：应注意总线特性阻抗的不匹配，在阻抗不匹配的地方就会发生信号的反射。下列几种情况易产生阻抗不匹配：（1）总线的不同区段采用了不同电缆（2）某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装（3）过长的分支线引出到总线（4）RS485 网络的起始和结束端。 （多台通讯调试的时候注意把终端电阻的拨码开关置于“ON”）2)、RS-485 接地问题仅仅用一对双绞线将各个接口的 A、B 端连接起来，而不对 RS-485 通信链路的信号接地，在某些情况下也可以工作，但给系统埋下了隐患。RS-485 接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V 至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图 1 所示，当发送器 A 向接收器 B 发送数据时，发送器 A 的输出共模电压为 VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差 VGPD，那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485 标准规定 VOS3V，但 VGPD 可能会有很大幅度( 十几伏甚至数十伏)，并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入 VCM 超出正常围，在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信，重则损坏设备。
