串行通讯

文章11
运动器械需要使用矢量变频器进行精确控制 运动器械需要使用矢量变频器进行精确控制

我们都熟悉串行通信;计算机上的USB连接使用串行通信来连接鼠标、键盘和内存条。虽然无线和蓝牙部分取代了实际的电缆,但原理仍然是一样的。


然而,当谈到变频器时,许多用户仍然喜欢简单的硬接线控制连接。这些在小型的安装应用中是很好的,并且很容易排除故障,但是在更复杂的安装应用中,串行通信有很大的意义,可以替换大量的电缆,并且可以从笔记本电脑上轻松设置。几乎所有的变频器都内置了串行通信作为标准,因此转移到串行通信通常不会产生额外的费用。


它们是什么?它们是如何工作的?好吧,最简单的,串行通信包括发送一串数字脉冲——1和0,变频器将解释它们,对它们采取行动,并可能发回一个信号。为了实现这一点,我们需要定义硬件,例如1或0是多少伏特。然后,我们需要决定一个协议,以确定谁发送什么以及何时发送,否则这些信号将全部混淆。我们还需要决定如何构造我们的信号,以便它到达正确的位置,并进行某种形式的检查。最后,我们需要定义1和0的含义。


定义硬件非常简单。我们可以使用无线或光纤电缆,但对于低水平的工业应用,我们通常使用RS485定义的简单电缆和信号,RS485是为工业中的噪声环境下应用而设计的成熟标准。图1显示了两条电缆中的信号相对于0V,如何以相反的方式相互切换的。


图1 RS 485 基础功能


这提供了很高的抗噪性,但必须确保整个系统中的接地是相同的,比如通过把两根信号线,装入双端接地的屏蔽层,然后再来连接不同的点或可寻址位置(节点)。


现在我们需要决定信号协议。一种方法是定义主从系统。主机总是开始一段“对话”;从机只有在和主机对话时才回答。这个系统很容易理解,并且允许向所有从机广播消息,前提是它们不回复“广播”消息。许多工业通讯都使用这个系统。主从系统的一种变化是令牌系统;拥有令牌的人就是主系统,但它可以被传递。这些系统可以避免信号冲突从而导致损坏。


但是,对于以太网类型的传输(在internet上使用的系统),允许冲突?;旧?,系统上的任何东西都可以尝试发送信号;如果发生冲突,则停止发送,然后重试。如果网络上的现有信号已损坏,则会再次发送该信号。以太网已经被优化为非??焖俚牟僮?,并使用许多不同的媒体,如光纤,无线,当然还有熟悉的以太网电缆?;チ旧暇褪抢谜庖辉砝┱沟酵蛭?。以太网系统在工业中越来越流行,因为它随着计算机的广泛应用而发展了技术,降低了价格。但是,每个节点都需要一个路由器来检测和控制冲突。


虽然速度很快,但时间并不是以太网的决定因素。也就是说,你总得需要或短或长的时间来抓住总线并发送信号,而在主从系统中,主机在时间上有完美的控制;尤其是在控制复杂的机器时,这一点很重要。以太网系统在此方面还有很多工作要做。


Canbus系统(一个为车内使用而开发的系统,现在在工业上也很流行)允许信号具有优先顺序;虽然你抓住了总线,但是一个更高优先级的信号会接管你??刂浦贫低呈狈浅V匾?。


因此,不管怎样,我们都有一个协议,它允许信号在不被破坏的情况下传播——或者,如果它们被破坏了,就像在以太网中一样,那么它就被挑选出来了。我们现在需要准确地定义我们的信号意味着什么。当然,如果我们想的话,我们可以自己制造串行通信系统,但是如果我们采用现有的串行通信系统,就很容易找到硬件和软件来帮助我们。不久前,一些使用自己串行通信的公司决定,定义信号的结构然后向所有人发布这些定义,从而鼓励人们使用它们,因为这符合他们的利益。这些系统被称为开放式或现场总线系统,通常由一个正式的文件定义,如欧洲标准。例如Profibus、Canbus、Devicenet、Bacnet和Modbus;大多数这些现场总线系统现在也有以太网的变形。


大多数现场总线系统从定义硬件开始,通常是RS485,但越来越多的是使用以太网电缆的系统或着光纤。然后他们定义了协议——通常是主从协议,但对于以太网,冲突系统具有确定时间的定义区域。最后,它们定义了一个报文结构——一个承载信息的数据块。


让我们看几个例子。Modbus是一种通用的现场总线系统,它使用RS485硬件和主从系统。图2显示了基本的报文结构。


图2  Modbus 报文格式


在报文的开头和结尾有一个空格,然后信号的前8位定义了目的地地址——只有8位,所以系统上只有有限数量的节点。然后是一个函数代码;在最简单的形式中,这是一个代码,比如“03”表示读,“06”表示写。然后是数据;这可能是一个参数值,一个设定点,或者别的什么。最后,有一个校验,以确保整个报文没有被破坏。


Modbus的工作方式是,主设备将向从设备写入请求读取或写入的数据,而从设备将按照指示返回信息或写入数据。这些读或写操作是使用主机或从机中的寄存器块来执行的。主机或从机将这些寄存器中的数据解释为参数值、测量值(如输出频率、负载电流)等。


以太网报文是一种更复杂的结构,如图3所示,但具有相同的基本信息。

图3 以太网报文格式


现在我们有了一个源和目标MAC地址(世界上每台机器都是唯一的?。┒ㄒ逍藕爬嘈偷牧礁鲎?,然后是数据包和有效数据。最后是一个校验,以确保信号正常。凭借以太网的速度我们可以传输大量的数据,但是以太网的一个缺点是每个节点都需要一个路由器。工业以太网系统定义了标准信号区域之间的短时间“通道”,可用于关键的时间相关控制。这使得Modbus TCP和Profinet等现场总线衍生产品在工业环境中使用以太网具有极大的优势。


基于现场总线的串行通信系统在整个工业中相当普遍。诸如Modbus、Canbus和Profibus等成熟系统的年增长率仍保持在7%左右,但工业以太网的增长速度更快,通常为20%。


英泰变频器支持一些常见的现场总线系统,并且可以安装简单的适配器与其他多种设备一起工作。