基于單片機(jī)和USS協(xié)議的變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

劉玲玲，喬書杰，李保強(qiáng)

（1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 機(jī)電工程系，鄭州 450044；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450007）

變頻調(diào)速系統(tǒng)在化工、機(jī)械、食品等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，許多變頻調(diào)速現(xiàn)場(chǎng)，電機(jī)和操作室距離較遠(yuǎn)，變頻器若安裝在工控現(xiàn)場(chǎng)則不便于人員操作，若安裝在操作室又對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的觀察和操作造成影響。同時(shí)傳統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量控制因動(dòng)力線拉的太遠(yuǎn)或較多信號(hào)線交織在一起容易造成干擾和控制的滯后等現(xiàn)象。USS協(xié)議是一種工業(yè)通用通訊協(xié)議，其由西門子工程師開發(fā)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制相關(guān)產(chǎn)品中，尤其在變頻器遠(yuǎn)程通訊控制中更為普遍。鑒于上述情況，本文研究了基于單片機(jī)和USS協(xié)議的變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過RS485總線聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)、停止、加減速、正反轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)顯示變頻器的工作頻率、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)信息[1]。 單機(jī)通訊距離可達(dá) 1200 m（9600 b/s），RS485通過2條信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，有效地消除了多條開關(guān)量、模擬量信號(hào)線共存時(shí)的干擾、滯后等問題。這樣對(duì)于支持USS協(xié)議的變頻器就可將其安裝在電動(dòng)機(jī)附近，通過通訊系統(tǒng)連接遠(yuǎn)端操作室內(nèi)電控柜的變頻器遠(yuǎn)程控制儀，在操作室內(nèi)就能實(shí)時(shí)地對(duì)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)聽和控制。該系統(tǒng)已經(jīng)在鄭州天宏自動(dòng)化技術(shù)有限公司投入使用。

1 方案綜述及工作原理

該控制系統(tǒng)CPU采用Mega128微處理器，提供USART雙串口和RS485接口，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)和變頻器的通訊，對(duì)支持USS協(xié)議的變頻器（如西門子變頻器、愛默生變頻器、丹佛斯變頻器和東洋變頻器等）通過通訊控制啟停、加減速及輸出參數(shù)的監(jiān)控等。同時(shí)該系統(tǒng)提供主從2種控制模式，在主設(shè)備模式下，主要是對(duì)它下面的從設(shè)備發(fā)出控制命令；當(dāng)它作為從設(shè)備模式時(shí)，主要是接收和響應(yīng)主機(jī)的命令請(qǐng)求。設(shè)置有2個(gè)通訊接口：通訊口l支持RS485接口，通訊口2支持RS232接口，能夠接2個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的通訊設(shè)備。在USS通訊網(wǎng)絡(luò)中，變頻器被認(rèn)為是從機(jī)，通過變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以向變頻器發(fā)出控制命令（如啟動(dòng)、停止、允許運(yùn)行等）；給變頻器輸入電機(jī)速度或轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)；實(shí)時(shí)讀取變頻器中運(yùn)行狀態(tài)信息；檢查變頻器故障并可對(duì)變頻器進(jìn)行故障復(fù)位等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中RS485模塊實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)變頻器的通訊，RS232模塊實(shí)現(xiàn)與上位工控機(jī)的連接；DI/DO模塊可連接變頻器的數(shù)字控制端子實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；DA模塊提供2路模擬量輸出信號(hào)：4～20 mA電流信號(hào)和0～10 V電壓信號(hào)；AD模塊提供2路模擬量輸入信號(hào)，可采集變頻器反饋的實(shí)際值信號(hào)；按鍵和顯示模塊構(gòu)成人機(jī)操作界面，實(shí)時(shí)顯示變頻器當(dāng)前狀態(tài)，并通過按鍵監(jiān)聽或控制變頻器。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic structure of hardware

2.2 RS485通訊接口

變頻器遠(yuǎn)程控制儀通過RS485硬件接口接入總線。接口芯片選擇TI公司的SN75LBCl84，該芯片是具有瞬變電壓抑制功能的RS485差分總線收發(fā)器。

SN75LBC184帶有內(nèi)置高能量瞬變?cè)肼暠Ｗo(hù)裝置，這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上的瞬變?cè)肼暤目煽啃?，它不但設(shè)計(jì)成限斜率方式輸出，而且能抗雷電的沖擊，承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊，在應(yīng)用中效果十分理想[1]。通訊方式采用隔離的RS485通信，它提供了對(duì)USS的硬件支持。6N137芯片作為高速光電隔離芯片，充分保障了通信速率，其接口電路如圖2所示。

圖2 RS485通訊接口電路圖Fig.2 RS485 communication interface circuit

2.3 CPU部分

單片機(jī)選用ATMEL公司的ATmega128芯片，它是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微控制器，具有先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[2]。同時(shí)它具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，滿足程序空間的要求，4 KB的E2PROM，滿足通過人機(jī)界面組態(tài)時(shí)的大量掉電不丟失可查出改寫的參數(shù)要求，4個(gè)PWM的定時(shí)計(jì)數(shù)器可提供2路模擬量信號(hào)的輸出，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC可滿足外部信號(hào)的采集，2路USART串口方便接入DCS系統(tǒng)[3]。

2.4 USS通訊協(xié)議

通用串行接口協(xié)議USS協(xié)議 （universal serial interface protocol）是SIEMENS公司所有傳動(dòng)產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議，它是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議。USS協(xié)議是主-從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，規(guī)定了在 USS總線上可有一個(gè)主站和最多30個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址（在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠它識(shí)別每個(gè)從站；每個(gè)從站也只對(duì)主站發(fā)來(lái)的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文，從站之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[5]。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時(shí)給所有從站發(fā)送報(bào)文，從站在接收到報(bào)文并做出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報(bào)文。協(xié)議報(bào)文格式如表1所示。

表1 USS協(xié)議報(bào)文格式Tab.1 USS message format

通訊線路上的每條報(bào)文都是以字符STX（=02hex）開始，接著是長(zhǎng)度的說明（LGE）和地址字節(jié)（ADR），然后采用數(shù)據(jù)字符即PKW參數(shù)識(shí)別ID數(shù)據(jù)區(qū)和PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)，報(bào)文以數(shù)據(jù)塊的檢驗(yàn)符（BCC）結(jié)束[6]。

PKW區(qū)說明參數(shù)識(shí)別ID-數(shù)值（PKW）接口的處理方式。PKW接口并非物理意義上的接口，而是一種機(jī)理，這一機(jī)理確定了參數(shù)在2個(gè)通訊伙伴之間（例如控制裝置與變頻器）的傳輸方式，例如參數(shù)數(shù)值的讀和寫。PKW數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度是可設(shè)的，一般選擇4個(gè)字長(zhǎng)。

通訊報(bào)文的PZD區(qū)是為控制和監(jiān)測(cè)變頻器而設(shè)計(jì)的。在主站和從站中收到的PZD總是以最高的優(yōu)先級(jí)加以處理。處理PZD的優(yōu)先級(jí)高于處理PKW的優(yōu)先級(jí)，而且，總是傳送接口上當(dāng)前最新的有效數(shù)據(jù)。PZD數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度也是可設(shè)的，一般選取2個(gè)字長(zhǎng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件以USS通訊協(xié)議為核心基礎(chǔ)，附以自定義的通訊報(bào)文，以標(biāo)準(zhǔn)的USS通訊協(xié)議為對(duì)外接口，以自己定義的通訊協(xié)議為對(duì)下位機(jī)的通訊接口，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的連接轉(zhuǎn)換。

軟件主要由5大部分組成，分別是主程序、USS通訊模塊、按鍵和顯示人機(jī)操作界面、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等。USS通訊部分程序流程如圖3所示。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、各子程序的調(diào)用等。初始化程序主要完成各端口的初始化、USS通訊協(xié)議初始化。其中USS通訊協(xié)議初始化包括波特率、通訊地址、BCC校驗(yàn)等參數(shù)設(shè)置。

圖3 USS通訊程序流程圖Fig.3 USS communications program flow

對(duì)所有支持USS通訊協(xié)議的變頻器均可在操作界面組態(tài)通過RS485通信方式遠(yuǎn)程控制變頻器，常用的變頻器如西門子、艾默生、丹佛斯、東洋等變頻器都支持USS協(xié)議且均已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中。

變頻器不同則通訊參數(shù)的設(shè)置不同，對(duì)應(yīng)軟件中所操作的控制寄存器也是不同的。利用單片機(jī)軟件編寫為外部可組態(tài)的控制器程序，組態(tài)內(nèi)容包括可參數(shù)設(shè)置的控制寄存器、給定值寄存器、輸出值寄存器等，以及相應(yīng)的控制字的值或狀態(tài)字的值?？刂葡到y(tǒng)具備記憶功能，當(dāng)一種變頻器的通訊部分組態(tài)成功，則控制系統(tǒng)即記憶該變頻器的控制程序進(jìn)而進(jìn)行通訊控制變頻器的工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于USS通信協(xié)議的變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，半雙工傳輸方式，保證數(shù)據(jù)有效可靠地傳輸，同時(shí)提供RS232接口可連接上位工控機(jī)，組成DCS控制系統(tǒng)，具有較大的靈活性、抗干擾性和可擴(kuò)展性，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、復(fù)雜的控制，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]劉玲玲，劉德平，李保強(qiáng)，等.基于Modbus協(xié)議的變頻器遠(yuǎn)程控制器的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（6）：33-35.

[2]王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[3]朱善君，孫新嚴(yán)，吉吟東.單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]姜鳳武，王杭.基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與變頻器的通信[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（4）：78-79.

[5]SIMENS MICROMASTER 440用戶手冊(cè)[Z]，2003.

[6]丁金林，張浩，劉國(guó)海，等.基于USS協(xié)議的變頻器計(jì)算機(jī)通信設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2004，19（4）：63-66.