吳 征，喻支乾

(催化劑齊魯分公司，山東 淄博 255300)

1 變頻器頻率設(shè)定方式及Modbus通訊協(xié)議應(yīng)用

變頻器是一種通過改變?nèi)嚯娫搭l率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電力電子設(shè)備，其頻率設(shè)定方法包括：面板設(shè)定、電壓信號設(shè)定、電流信號設(shè)定以及通訊數(shù)據(jù)設(shè)定。對于安裝于控制現(xiàn)場的變頻器可采用面板設(shè)定頻率的方法，但由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，變頻器一般安裝于配電室內(nèi)。電壓信號設(shè)定是利用安裝于現(xiàn)場操作柱的電位器調(diào)節(jié)0～10 V的直流電壓信號輸入變頻器，實(shí)現(xiàn)頻率的設(shè)定，在防爆區(qū)域需使用防爆操作柱，操作柱與變頻之間需安裝帶屏蔽的控制線，由于直流電壓信號在線路上的衰減，控制線路長度有所限制，且不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流信號設(shè)定，一般以儀表DCS作為電流信號源，由DCS輸出4～20 mA電流信號，變頻器將此信號轉(zhuǎn)換為0～50 Hz的設(shè)定頻率，由于電流信號不存在壓降，故控制線路可較長，并且因?yàn)镈CS的控制，可以方便地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通訊數(shù)據(jù)設(shè)定普遍采用工控機(jī)及變頻器的RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用Moubus通訊協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，一條雙絞線可帶32臺設(shè)備，這樣可節(jié)約大量的控制電纜和現(xiàn)場操作柱，工控機(jī)和變頻器采用半雙工通訊方式，工控機(jī)即可對變頻器寫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變頻器開停車及頻率設(shè)定，也可對變頻器讀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變頻器的運(yùn)行參數(shù)(電流、轉(zhuǎn)速、頻率、電壓等)的上傳。

Modbus通訊協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場總線的開放式通訊協(xié)議，采用串行數(shù)據(jù)通訊，一幀數(shù)據(jù)由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域、差錯校驗(yàn)四部分組成，通訊接口一般采用RS485接口，傳輸距離可達(dá)到1 km，其數(shù)據(jù)傳輸采用主從結(jié)構(gòu)，即一臺設(shè)備作為主機(jī)，總線上并接的設(shè)備作為從機(jī)，這非常適合于工業(yè)企業(yè)對現(xiàn)場設(shè)備集中控制的思想。圖1是其控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在分子篩的制備工藝中，物料和液體添加劑保持一定的配比，生產(chǎn)中需根據(jù)物料流量不斷調(diào)整添加劑流量。為滿足生產(chǎn)自控的要求，設(shè)備供應(yīng)商專門開發(fā)了由工控機(jī)(軟件及硬件)、變頻器、流量變送器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。工控機(jī)采集物料流量，由此計(jì)算出添加劑流量，計(jì)算結(jié)果與采集的添加劑流量進(jìn)行差值比較，比較結(jié)果通過比例(P)、積分(I)、微分(D)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果即為變頻器的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，通過調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)添加劑物料泵的流量。工控機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為數(shù)字信號，此信號通過Modbus通訊協(xié)議，經(jīng)工控機(jī)485接口、485總線、變頻器485接口，送至變頻器，作為變頻器的速度設(shè)定值。其控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖一所示，其中主機(jī)為工控機(jī)，從機(jī)為變頻器。本套系統(tǒng)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中存在以下兩方面的問題：

(1)由于工控機(jī)軟件開發(fā)僅針對某一特定型號的變頻器，其它型號的變頻器由于Modbus通訊數(shù)據(jù)功能碼、數(shù)據(jù)寄存器地址、校驗(yàn)碼等方面的不同，不能應(yīng)用于本系統(tǒng)。在變頻器損壞，且由于使用時間長，同型號變頻器很難購買的情況下，其它型號的變頻器不能替代使用。

(2)在通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由于通訊數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式，不能通過使用傳統(tǒng)儀表測量通訊信號，不能迅速準(zhǔn)確及時地判斷是儀表通訊故障還是電氣設(shè)備故障，延長故障判斷及處理時間。

2 控制系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

對控制系統(tǒng)改造的目的，是為了解決第一章中列舉的系統(tǒng)存在問題。

解決問題的關(guān)鍵是將設(shè)定變頻器頻率的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ玫目芍庇^測量的適用于所有變頻器的標(biāo)準(zhǔn)信號，同時還要兼顧Modbus通訊控制的優(yōu)點(diǎn)，為此，在通訊線路的末端即變頻器接收信號前，將Modbus通訊數(shù)據(jù)中的二進(jìn)制頻率設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA信號，再送入變頻作為頻率設(shè)定信號，同時，該系統(tǒng)能將工控機(jī)設(shè)定頻率以十進(jìn)制方式通過LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，維護(hù)人員可通過該顯示的數(shù)據(jù)與工控機(jī)設(shè)定數(shù)據(jù)是否一致，直觀迅速地判斷通訊系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。

實(shí)現(xiàn)以上功能，硬件上以可編程單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)為核心，單片機(jī)接受RS485格式通訊數(shù)據(jù)，將頻率設(shè)定的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行截取存儲，此數(shù)據(jù)一路送入LED數(shù)碼管顯示，一路送入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。軟件上，當(dāng)485總線上存在通訊數(shù)據(jù)時，首先進(jìn)入中斷服務(wù)程序，將此數(shù)據(jù)存儲，然后判斷接收的一幀數(shù)據(jù)中，地址及寫命令是否符合變頻器格式，如果符合就截取頻率設(shè)定值數(shù)據(jù)并存儲，將此數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并顯示，如果不符合，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

采用單片機(jī)的異步串行接口接收數(shù)據(jù)，由于串口不能直接接收485通訊數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)；LED采用4位帶小數(shù)點(diǎn)的7段數(shù)碼管，為增強(qiáng)驅(qū)動能力，單片機(jī)和數(shù)碼管設(shè)置驅(qū)動模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的核心選用PIC系列單片機(jī)，具體型號為PIC16F877A。Microchip公司的PIC單片機(jī)采用數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu)，采用兩級流水線取指令方式，具有低功耗、高速度、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，片內(nèi)具有FLASH程序存儲器，支持在線串行編程。本款型號的PIC單片機(jī)具有40個引腳，如圖3所示。

圖3 PIC16F877A

通訊模塊選用MAX485芯片，封裝形式為雙列直插，它具備一個接收器和一個發(fā)送器，接收485總線數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為TTL電平，送入單片機(jī)，可工作在半雙工方式。

圖4 AD5420外觀圖及內(nèi)部功能框圖

另一個比較重要數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，采用AD5420芯片，AD5420是一款單通道、16位、串行輸入的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，輸出電流范圍為4～20 mA、0～20 mA或0～24 mA，采用表貼封裝形式，共24個管腳，外觀尺寸為7.8 mm×4.4 mm，管腳之間的距離僅為0.65 mm，所以在PCB上焊接管腳時，有一定的技術(shù)要求。其外觀及內(nèi)部功能框圖如圖4所示。

AD5420內(nèi)部主要包括輸入移位寄存器、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、輸出驅(qū)動電路。它需要兩路電源，一路DC5V為數(shù)字電路電源，一路為DC24V為模擬電路電源，其主要端子：

LATCH鎖存端子，在移位寄存器接收到24位數(shù)據(jù)時，進(jìn)行鎖存，并送入DAC電路；

SCLK為SPI接口(外部設(shè)備接口)位同步串行時鐘，在時鐘的上升沿將一位數(shù)據(jù)送入移位寄存器，最高頻率可達(dá)到30 MHz；

SDIN/SDO為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端子；

Iout端子為4～20 mA電流信號輸出端子。

3.1 串行數(shù)據(jù)通訊電路

圖5 串行數(shù)據(jù)通訊電路

圖5中，單片機(jī)采用3.6864 MHz的精密晶振，在波特率設(shè)置為9600bit/s時，理論上可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率為0。單片機(jī)的RB4/RB5端子控制485芯片的發(fā)送/接收使能，來自485總線的串行數(shù)據(jù)通過RC7輸入單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收端RX，單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送端TX通過485芯片的發(fā)送器發(fā)送至485總線。單片機(jī)及485芯片均需提供DC5V的電源。

3.2 LED顯示及驅(qū)動電路

圖6 LED顯示及驅(qū)動電路

圖6中，LED集成電路采用4位帶小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管，為增加驅(qū)動能力，采用了ULN2003A驅(qū)動芯片，其內(nèi)部是7個反向器，使用了其中的四路作為4位數(shù)碼管的位選信號，分別由單片機(jī)RA0、RA1、RA2、RA3控制。4位數(shù)碼管共用段選及小數(shù)點(diǎn)控制信號，由單片機(jī)的RD0至RD7共8個端子控制。位選信號控制4位數(shù)碼管那一位顯示，段選信號控制顯示的是0至9的哪一個數(shù)字。

3.3 單片機(jī)及數(shù)模電路連接

圖7中，單片機(jī)的RC3/RC4/RC5通過軟件控制，模擬SPI接口，連接至AD5420的SCLK/SDIN/SDO,RB0連接至AD5420的LATCH,在AD5420接收到8位地址數(shù)據(jù)及16位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)共24位數(shù)據(jù)時，RB0控制AD5420進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換電路。AD5420需要配置DC5V及DC24V的兩路電源，在AD5420的第24管腳接24 V電源，并在電源上并接TVS(雙向瞬態(tài)抑制二極管)，作為過電壓保護(hù)。AD5420的第18管腳作為4～20 mA電流輸出信號，也并接一個TVS。

在硬件電路中還包括：上電復(fù)位電路、電源指示、接線端子。整個電路如圖8所示。

圖 7 單片機(jī)與AD5420連接電路

圖8 整個硬件電路

硬件電路設(shè)計(jì)工具采用Altium Designer電子產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，首先繪制電路圖，然后生成PCB(印刷線路板)電路，根據(jù)布線規(guī)則進(jìn)行布線，生成PCB文件。將此文件發(fā)送至生產(chǎn)廠制作，然后對電子元件手工焊接。PCB文件及焊接完P(guān)CB板及封裝后產(chǎn)品如圖9、10。

圖9 PCB文件

圖10 PCB板及封裝后產(chǎn)品

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖11 主程序功能框圖

軟件設(shè)計(jì)采用MAPLAB集成開發(fā)環(huán)境作為設(shè)計(jì)工具，采用C語言編程。主程序功能框圖如圖11所示。

軟件的核心是對通訊數(shù)據(jù)的捕獲及處理，由通訊中斷服務(wù)程序及定時中斷服務(wù)程序處理。在單片機(jī)的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)時，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，同時開啟定時器1，在定時器1的定時時間內(nèi)，接收完一幀數(shù)據(jù)，存儲至一個全局?jǐn)?shù)組中，定時時間到時，進(jìn)入定時中斷服務(wù)程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先關(guān)閉定時器計(jì)數(shù)，并賦以初值，再判斷接收的數(shù)據(jù)是否符合變頻器地址及頻率設(shè)定命令格式，如不符合，不進(jìn)行處理，如符合，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)中頻率設(shè)定部分的兩字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，然后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)一路送入LED顯示，一路送入AD5420進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出4～20 mA信號，送至變頻器。在下一次通訊數(shù)據(jù)到來時，對接收數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，并重復(fù)以上過程。服務(wù)程序功能框圖如圖12所示。

圖12 中斷服務(wù)程序功能框圖