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1、第一章 变频器通讯控制基础第一节 问题的提出传统上，变频器的控制方式主要有三种：一是通过变频器的操作面板控制，即通过操作面板设定不同的给定频率( 以及加减速时间等参数) ，再通过操作面板上的正 /反转按键和停止按键实现电机的启停控制，主要应用于对变频器进行本地操作，且电机转速不频繁变化的场合；二是通过变频器的控制端子控制，即通过对变频器控制端子上逻辑输入口的逻辑组合设置各种预置速度，再通过逻辑输入口的启动/停止端子和预置速度端子的通断状态，实现电机的启停控制和输出频率的改变，主要应用于通过控制系统(PLC 或工控机)控制电机按预先设定的几个固定频率运转的场合。三是通过变频器模拟量输入端输入 0
2、-10V或 4-20mA 信号改变给定频率，再通过逻辑输入口的启动 /停止端子控制电机的启停，可以通过控制系统实现对电机在设定频率范围(从最低频率到最高频率) 内的任意频率控制。实际应用中，第三种方式最为普遍。另一方面，变频器的操作面板可以根据用户的操作，显示用户所需要全部信息，但这种方式仅适用于本地操作的场合；此外，变频器还同时提供逻辑输出口和模拟量输出口，以便变频器的将预先设定的有关信息送达上位的控制系统，信息受逻辑输出口和模拟量输出口的数量限制，而且无法灵活改变。因此，传统的变频器控制方式可以简单地理解为是采用信号的并行方式控制的：变频器是通过上位控制系统发来的并行信号控制，变频器的信息
3、也是通过并行信号送达控制系统，显而易见，控制系统和变频器之间通过这种并行方式所交换的信息是非常有限的。此外，在控制系统通过变频器的模拟量输入端进行控制以及通过模拟量输出端采集信息时，存在一个明显的瓶颈，即控制系统和变频器都是数字装置，因此，在信号的传输中，双方都需要通过各自的 D/A 和 A/D 模块来发送和接收相应的信息，这无疑增加了系统成本，而且带来了精度和响应时间的问题，同时还存在易受干扰和长距离传输时信号衰减的问题。从更长远的眼光看，随着计算机技术、网络技术和自动控制技术的迅猛发展，我们的社会已从工业社会转向了信息社会，信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆
4、盖从工段、车间、工厂到企业乃至世界各地，逐步形成以计算机网络为基础的企业信息系统，用以取代传统的企业运作方式，实现办公自动化和工业自动化的无缝结合的管控一体化全新格局。在控制领域，建立全开放的工业控制网络，即是信息发展进程的结果，也是现代企业提出的要求。现场总线技术正是为实现这一目标应运而生。在变频器控制方面，采用基于现场总线技术的变频器通讯控制方式，不仅可以满足现代企业提出的这个要求，而且可以同时解决上述存在的问题，其极大的优越性是传统控制方式所远远无法比拟的。可以断言，随着现场总线技术应用的日益成熟，变频器的通讯控制方式必将是今后发展的主要方向。第二节 现场总线概述一、 现场总线的定义国际
5、电工委员会 IEC61158 标准对现场总线的定义是：“现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。 ”具体讲，现场总线是一种全数字式的串行双向通讯系统，用数字通讯取代用模拟信号传输信息的方式，把各个分散的数字化、智能化的测量和控制设备变成网络的节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统；另一方面，现场总线技术将专用微处理器置入传统的现场设备(指位于现场层的传感器、驱动器、及执行机构等设备)，使现场设备本身即具备基本的控制功能又具备强大的数字通讯能力，实现了远程监控计算机和现场设备之间真正的全分
6、布式系统，简化了系统结构，降低了系统风险，提高了设备利用率。因此，现场总线是面向工厂底层自动化信息集成的数字化网络技术，基于现场总线技术的自动化系统称为“现场总线控制系统” ，简称 FCS(Fieldbus Control System)。二、 现场总线的主要特点1、数字化信号传输现场总线系统无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是上层工作站及高速网络之间的信息交换，均采用数字信号，实现了高速、双向、多站点之间的通讯。与模拟信号相比，数字化从根本上提高了测量和控制的准确度和精度，减少了传送误差，提高了系统的可靠性。2、系统集成度高现场总线系统的接线十分简单，一根双绞线或同轴电
7、缆就可以挂接许多设备，替代传统的一对一 I/O 连线，设备可以方便地增减，电缆、端子、接线槽、桥架等用量大大减少，接线点造成的不可靠因素大大降低，既节省了系统投资，也减少了系统设计、安装和维护的工作量。3、信息集成度高通过现场总线，可从现场设备获取大量丰富的信息，实现现场设备状态、故障、以及参数信息的传送，具有在线故障诊断、报警和记录等功能；除了完成远程监控任务，还可完成设备远程参数设定、修改某参数等工作，增强了系统的可维护性。4、系统的开放性“开放”是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总线开发的目的就是要建立统一的工厂设备层网络的开放系统，不同厂家生产遵从同一总线标准
8、的不同产品，用户可以根据自己的需要将其方便地集成为大小随意、经济实用的系统，同时各个不同厂家的产品之间具有互操作性和互换性，为系统设计、使用、维护、和升级换代提供了广阔的空间。三、现场总线的分类现场总线技术起源于欧洲，目前在欧美地区应用十分普遍，具不完全统计，世界上出现的总线种类多达 40 种，在各个国家和各大公司的支持下，处于激烈的市场竞争中。现场总线经过十多年的竞争和完善，目前较为常用的有十多种，根据其复杂程度和应用场合，一般可分为 4 类，如图 1-1 所示。1、 传感器总线(Sensor Bus)数据宽度为位(bit)，用于现场最底层的开关量 I/O 设备(如各种传感器、执行器)。典型
9、的有 AS-i 等。2、设备总线(Device Bus)数据宽度为字节(byte)，用于现场控制设备( 如 PLC、变频器等)之间的信息交换。典型的有 CANopen、Interbus S、Device Net、FIPIO 、Profibus-DP、Modbus 等。3、区域总线(Field Bus)数据宽度为字(Word) ，用于过程控制设备之间信息的交换。典型的有Ethernet、FIPWAY、Modbus Plus 等。4、数据总线(Data Bus)数据宽度为数据流(Block)，用于生产车间、以及管理信息系统之间信息的交换，典数据总线Ethernet简单 复杂设备控制过程控制 区域总
10、线EthernetFIPWAYModbus Plus设备总线 CANopenInterbus-SDeviceNetFIPIOProfibus DPModbus传感器总线 AS-i图 1-1 现场总线的分类型的有 Ethernet 等。四、不同现场总线的比较选择表 1-1 不同现场总线的主要性能最大传输速度 最多连接设备 最大传输距离(无中继器)最大传输距离(带中继器)Modbus 19.2K bit/sFIPIO 1M bit/sModbus Plus 1M bit/sEthernet 10/100M bit/sProfibus-DP 12M bit/sDeviceNetCANopenInte
11、rbus-SAS-i现场总线的一个经常争论的问题就是：如何对这些总线进行合理的选择？同时，另一个问题是：是否会有一种现场总线可以取代所有其它总线而“一统天下”？有关专家指出，从理论上来看，的确存在一种现场总线就可以面向所有控制领域的可能性，但鉴于技术流派、经济效益、尤其是商业利益的关系，目前多种总线并存的局面还可能维持一段相当长的时间。因此，在实际应用中有三点建议：首先，建议构成在系统的不同部分选择不同的现场总线，即在系统的传感器级、设备级、区域级、和数据级每个部分都选择最适合的现场总线。因为每种现场总线有自己的适用范围，在这个范围内，它是最好的。其次，建议选择确实降低系统成本的现场总线。因为
12、是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。第三，建议关注基于以太网技术的工业以太网(Ethernet)。因为以太网技术在 IT 行业的成功应用并实现全球范围的普及，使其在工厂管理层、车间监控层成为主流，同时在设备层的发展也日益广泛。第三节 现场总线基础知识一、OSI 参考模型在计算机技术普及初期，计算机制造商将用户限止在专用的体系中，不同计算机之间没有一个通用的通讯系统体系结构，针对这个难题，国际标准化组织于 1978 年组织开发了为实现开放系统互连(Open System Interconnection)所建立的分层参考模型，简称为 OSI 参考模型。O
13、SI 参考模型将通信会话中需要的不同进程分为 7 个功能层，按事件发生的自然顺序组织起来，其中第 1 层到第 3 层提供网络访问，第 4 层到第 7 层是支持端对端(end-to-end)通讯的逻辑，如图 1-2 所示。OSI 参考模型提供了控制互连系统交互规则的标准框架，它只是定义了一种抽象的结层数 描述7 应用层6 表示层5 会话层4 传输层3 网络层2 数据链路层1 物理层图 1-2 OSI 参考模型构，而并非具体实现的描述。1、物理层(Physical Layer)物理层负责传输位流(0 或 1)，它从第 2 层( 即数据链路层)接受数据帧，一次一位地传输其结构和内容。传输介质是在物理
14、层之下，有时被称为第 0 层。2、数据链路层(Link Layer)数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输，包括发送和接收两个职能。发送时，负责将指令、数据等组成帧(Frame)；接收时，负责对被传输的数据进行有效性检测。物理层和数据链路层是每种类型的通讯都需要的。3、网络层(Network Layer)网络层负责建立源计算机与目的计算机之间的路径，规定了网络的建立、维持和拆除的协议。网络层的使用是可选的，只有在由路由器分隔开的不同网段上才需要。4、传输层(Transport Layer)传输层的信息传输单位是报文，负责开放系统之间数据的收发确认，向上一层(即会话层) 提供可靠
15、的端对端的数据传送服务。5、会话层(Session Layer)会话层负责支持通信管理，并实现最终用户应用进程之间的同步。会话层应用相对较少，许多协议将该层的功能打包到传输层里。6、表示层(Presentation Layer)表示层负责管理数据编码的方式，实现数据加密/解密、信息压缩/ 解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。7、应用层(Application Layer)应用层负责应用程序和网络服务的接口，为用户的应用服务提供信息交换，如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。应用层并不包括用户的应用程序。事实上，和绝大部分计算机网络一样，现场总线也不完全依照 OSI 参
16、考模型，但其中第 1 层、第 2 层和第 7 层是必须的；同时某些现场总线还对 OSI 参考模型进行了修正以适应其需求。二、传输介质传输介质是通讯网络中发送方和接收方之间的物理通道，对数据通讯质量有很大影响，决定信息传输的速度、距离、和抗电磁干扰性等指标。现场总线常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、和光纤等。1、双绞线(Pair of twisted wires)双绞线是按一定扭矩相互绞合在一起的两条铜质导线，通常还带有屏蔽层，数据传输率的上限一般是 10M bps，通过中继器可以在 15 公里或更大的范围提供数据传输，在100K bps 速率下传输距离为 1 公里。双绞线可以用于点对点连接和多点连接，通过适当的屏蔽，在 10K100KHz 以下的低频传输时，其抗干扰性相当于或高于同轴电缆，是最普通、最容易安装，也是最廉价的传输介质。2、同轴电缆(Coaxial cable)同轴电缆由一根包有塑料绝缘层的铜线和其屏蔽层组成，数据传输率可达 10 Mbps，传输距离达几十公里，具有绝缘效果好、频带宽的特点，适合高速数据传输，价格介于双
