串行通訊

文章11
運動器械需要使用矢量變頻器進行精確控制 運動器械需要使用矢量變頻器進行精確控制

我們都熟悉串行通信;計算機上的USB連接使用串行通信來連接鼠標、鍵盤和內存條。雖然無線和藍牙部分取代了實際的電纜,但原理仍然是一樣的。


然而,當談到變頻器時,許多用戶仍然喜歡簡單的硬接線控制連接。這些在小型的安裝應用中是很好的,并且很容易排除故障,但是在更復雜的安裝應用中,串行通信有很大的意義,可以替換大量的電纜,并且可以從筆記本電腦上輕松設置。幾乎所有的變頻器都內置了串行通信作為標準,因此轉移到串行通信通常不會產生額外的費用。


它們是什么?它們是如何工作的?好吧,最簡單的,串行通信包括發送一串數字脈沖——1和0,變頻器將解釋它們,對它們采取行動,并可能發回一個信號。為了實現這一點,我們需要定義硬件,例如1或0是多少伏特。然后,我們需要決定一個協議,以確定誰發送什么以及何時發送,否則這些信號將全部混淆。我們還需要決定如何構造我們的信號,以便它到達正確的位置,并進行某種形式的檢查。最后,我們需要定義1和0的含義。


定義硬件非常簡單。我們可以使用無線或光纖電纜,但對于低水平的工業應用,我們通常使用RS485定義的簡單電纜和信號,RS485是為工業中的噪聲環境下應用而設計的成熟標準。圖1顯示了兩條電纜中的信號相對于0V,如何以相反的方式相互切換的。


圖1 RS 485 基礎功能


這提供了很高的抗噪性,但必須確保整個系統中的接地是相同的,比如通過把兩根信號線,裝入雙端接地的屏蔽層,然后再來連接不同的點或可尋址位置(節點)。


現在我們需要決定信號協議。一種方法是定義主從系統。主機總是開始一段“對話”;從機只有在和主機對話時才回答。這個系統很容易理解,并且允許向所有從機廣播消息,前提是它們不回復“廣播”消息。許多工業通訊都使用這個系統。主從系統的一種變化是令牌系統;擁有令牌的人就是主系統,但它可以被傳遞。這些系統可以避免信號沖突從而導致損壞。


但是,對于以太網類型的傳輸(在internet上使用的系統),允許沖突?;旧?,系統上的任何東西都可以嘗試發送信號;如果發生沖突,則停止發送,然后重試。如果網絡上的現有信號已損壞,則會再次發送該信號。以太網已經被優化為非??焖俚牟僮?,并使用許多不同的媒體,如光纖,無線,當然還有熟悉的以太網電纜?;ヂ摼W基本上就是利用這一原理擴展到萬維網的。以太網系統在工業中越來越流行,因為它隨著計算機的廣泛應用而發展了技術,降低了價格。但是,每個節點都需要一個路由器來檢測和控制沖突。


雖然速度很快,但時間并不是以太網的決定因素。也就是說,你總得需要或短或長的時間來抓住總線并發送信號,而在主從系統中,主機在時間上有完美的控制;尤其是在控制復雜的機器時,這一點很重要。以太網系統在此方面還有很多工作要做。


Canbus系統(一個為車內使用而開發的系統,現在在工業上也很流行)允許信號具有優先順序;雖然你抓住了總線,但是一個更高優先級的信號會接管你??刂浦苿酉到y時非常重要。


因此,不管怎樣,我們都有一個協議,它允許信號在不被破壞的情況下傳播——或者,如果它們被破壞了,就像在以太網中一樣,那么它就被挑選出來了。我們現在需要準確地定義我們的信號意味著什么。當然,如果我們想的話,我們可以自己制造串行通信系統,但是如果我們采用現有的串行通信系統,就很容易找到硬件和軟件來幫助我們。不久前,一些使用自己串行通信的公司決定,定義信號的結構然后向所有人發布這些定義,從而鼓勵人們使用它們,因為這符合他們的利益。這些系統被稱為開放式或現場總線系統,通常由一個正式的文件定義,如歐洲標準。例如Profibus、Canbus、Devicenet、Bacnet和Modbus;大多數這些現場總線系統現在也有以太網的變形。


大多數現場總線系統從定義硬件開始,通常是RS485,但越來越多的是使用以太網電纜的系統或著光纖。然后他們定義了協議——通常是主從協議,但對于以太網,沖突系統具有確定時間的定義區域。最后,它們定義了一個報文結構——一個承載信息的數據塊。


讓我們看幾個例子。Modbus是一種通用的現場總線系統,它使用RS485硬件和主從系統。圖2顯示了基本的報文結構。


圖2  Modbus 報文格式


在報文的開頭和結尾有一個空格,然后信號的前8位定義了目的地地址——只有8位,所以系統上只有有限數量的節點。然后是一個函數代碼;在最簡單的形式中,這是一個代碼,比如“03”表示讀,“06”表示寫。然后是數據;這可能是一個參數值,一個設定點,或者別的什么。最后,有一個校驗,以確保整個報文沒有被破壞。


Modbus的工作方式是,主設備將向從設備寫入請求讀取或寫入的數據,而從設備將按照指示返回信息或寫入數據。這些讀或寫操作是使用主機或從機中的寄存器塊來執行的。主機或從機將這些寄存器中的數據解釋為參數值、測量值(如輸出頻率、負載電流)等。


以太網報文是一種更復雜的結構,如圖3所示,但具有相同的基本信息。

圖3 以太網報文格式


現在我們有了一個源和目標MAC地址(世界上每臺機器都是唯一的?。┒x信號類型的兩個字,然后是數據包和有效數據。最后是一個校驗,以確保信號正常。憑借以太網的速度我們可以傳輸大量的數據,但是以太網的一個缺點是每個節點都需要一個路由器。工業以太網系統定義了標準信號區域之間的短時間“通道”,可用于關鍵的時間相關控制。這使得Modbus TCP和Profinet等現場總線衍生產品在工業環境中使用以太網具有極大的優勢。


基于現場總線的串行通信系統在整個工業中相當普遍。諸如Modbus、Canbus和Profibus等成熟系統的年增長率仍保持在7%左右,但工業以太網的增長速度更快,通常為20%。


英泰變頻器支持一些常見的現場總線系統,并且可以安裝簡單的適配器與其他多種設備一起工作。