组态王与三菱FR-D700变频器实时通信和数据采集

连惠新 毛先萍 冯广斌 陈 飞

(新疆大学 a.化学化工学院，乌鲁木齐 830046；b.电气工程学院，乌鲁木齐 830047)

据有关部门统计，我国在实际供水过程中，泵的能源消耗占企业能源消耗的80%～90%[1]，大部分泵都是在人工操作下恒速运转。随着工农业的不断发展，建筑或者普通住宅群的高层化，使得用水供需矛盾日益扩大，传统的供水系统已经不适应现代社会发展和人民生活水平的需要，因而研究变频技术来实现水泵的变频控制达到节能的目的，是适应社会的迫切要求[2]。然而更迫切的任务是要解决变频器与上位机的通信问题，这样就可以仅通过一条通信线连接变频器与上位机，完成变频器的启动、停止及频率设定等操作。笔者主要介绍采用ModBus RTU通信协议的三菱FR-D700变频器与组态王的通信方法，通过功能强大的组态王软件达到组态、数据采集、调节及在线监测等目的。本方案实现了变频器与组态王软件的通信，变频器的变频调速降低了硬件成本，同时达到了节能的目的。

1 组态王与三菱FR-D700变频器①

组态王是目前国内比较流行的数据采集监控系统软件平台工具，是工业自动化通用的组态软件，其价格低廉，具有丰富的设置项目，且使用方式灵活、功能强大。组态王以Windows 98/Windows 2000/Windows NT4.0操作系统为操作平台，其界面一致友好，易学易用。组态王主要用来组成监控和数据采集系统，使现场的信息实时地传输到控制室，保证现场操作人员和工程管理人员都可以看到各种生产数据，这就使得管理人员无需深入生产现场就可以获得实时和历史数据，优化控制现场，提高生产率和产品质量。

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备。实际上，变频器就是一个逆变器，它先将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转速。

2 系统硬件

目前一般的PC机都是RS232串口，很少有RS485串口，为了实现与变频器长距离且抗噪音干扰的通信，一般采用RS232/485转换器。RS232/485转换器分为无源和有源两种，如果通信距离比较近，则采用无源转换即可，其总体系统框图如图1所示[3]。

图1 系统框图

3 变频器通信

3.1 ModBus RTU通信协议

在ModBus协议中有两种传输模式，一种是ASCII(美国信息交换码)，另一种是RTU(远程终端设备)。这两种传输模式与从PC机通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许两种模式混用。

ModBus RTU协议是一种信息结构，广泛应用于智能设备之间的通信[4]。RTU传输码：每条8位字节的信息作为两个4位十六进制字符发送，采用RTU传输码的优点在于能传输更多的信息，其通信协议的帧格式见表1，串口配置情况见表2。

表1 Modbus RTU通信协议的帧格式

表2 串口配置情况

3.2 变频器与RS485接口计算机之间的连接

变频器与RS485接口计算机之间连接有两种方式——四线式和二线式。其中二线式连接方式如图2所示[5]。

图2 二线式连接方式

由于使用的是个人计算机，没有相应接口，所以需采用USB转RS232接口的装置和RS232转RS485转换器。笔者选用二线式连接方式，变频器的4、6插针与RS485的1针连接，变频器的3、5插针与RS485的2针连接，变频器的1、7插针和RS485的5针接地连接，2、8插针为操作面板或参数单元专用电源。

3.3 寄存器的读写

FR-D700变频器将所有的传动参数、控制和状态信息都映像到4XXXX寄存区域。这些寄存器区域可以被外部设备读、写。将数据映像到4XXXX寄存器无需任何安装参数，该映像已经预先设定完毕，并与FR-D700参数组对应，所有的参数都可以读或写。写参数时要使用正确的格式和有效的寄存器地址。

3.4 通信步骤

计算机(安装了组态王软件)与变频器通信前，必须将计算机的串口通信参数和变频器相关参数设置好，否则不能正常通信[6]，变频器参数设定如下：

Pr.117 4

Pr.118 96

Pr.119 0

Pr.120 2

Pr.123 9 999

Pr.549 1

计算机与变频器通信的过程如图3所示。

图3 计算机与变频器通信

通信的具体步骤如下：

a. 从计算机发送请求数据到达变频器；

b. 通信等待时间过后；

c. 针对计算机发送的数据请求，变频器将回复数据给计算机；

d. 变频器处理时间过后；

e. 发生数据错误而需要再试时，通过客户端程序来执行再试动作，连续再试次数超过参数的设定值时，变频器会报警并停止；

f. 计算机对变频器回复的数据发出应答；

g. 接收到发生数据错误的信息后，变频器会重新向计算机发送步骤c数据，数据错误连续发生的次数超过参数的设定值时，变频器会报警并停止。

4 组态

利用组态王软件的工程管理，建立新项目，命名为“变频器运行监控画面”。组态王与变频器通信监控系统设计步骤如下：

a. 在设备配置向导里，选择ModBus RTU设备，双击“新建”图标；

b. 使用组态王设备列表下的PLC→莫迪康→ModBus RTU进行通信；

c. 为新建的设备命名为三菱D700，设置与变频器相连接的串口，选择COM4；

d. 单击数据库→数据词典，双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框，根据变量定义步骤，选择变量类型同时设定所需要的数值，然后连接之前创建的设备——三菱D700，对照寄存器功能表选择对应的寄存器，数据类型选择Short，定义变量设置变频器启停、运行频率、输出电流和输出电压。

5 数据采集

5.1 命令编写

组态王采集变频器数据部分命令语言如下：

\本站点频率=\本站点变频器运行频率/100;

\本站点频率=\本站点变频器运行频率/100;

\本站点频率=\本站点变频器运行频率/100;

5.2 结果分析与讨论

不同时间采集的频率、电流和电压数据见表3，其变化曲线如图4所示。

表3 变频器不同时刻的显示值与采集值

a. 频率

b. 电流

c. 电压 图4 变频器显示值与组态王采集值

由表3可知，变频器频率、电流、电压在不同时刻采集到的数据与变频器显示的数值存在一定的误差，这是因为变频器本身和信号转换之间都存在一定的误差，但是所有的误差都在5%以内，通过图4可以看出变频器显示值与组态王实际采集值几乎重合，故可认为由组态王采集的数据是准确的，满足实时监控的要求，可以应用到工业生产和实际生活中。

6 结束语

变频器在现实生活中应用越来越广泛，其显著的节能效果被公认是一种最有前途的调速方式。变频调速为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的保障。介绍了

ModBus RTU通信协议和组态王与FR-D700变频器二者的通信方式，为行业实时通信方式提供了借鉴，也为变频控制提供了前提。实践证明，通过ModBus RTU协议通信方式采集的数据完全达到了实时监控的要求，满足了管理人员无需深入生产现场就可了解实际情况的实际需求，可以应用到工业生产和实际生活中。

[1] 喻支乾.基于组态王、PLC及变频器在恒压供水控制系统的设计[D].济南：山东大学,2008.

[2] 倪敬，姜晓勇，施江肖，等.变频器在节能恒压供水系统中的应用[J].机电工程,2001,18(5):170～171.

[3] 金立江，李文，张继和.基于ModBus协议的变频器VC++控制系统[J].自动化与仪表,2008,23(4):32～34，46.

[4] 董桂强，王仲初，张跃平.基于ModbusRTU协议的变频器监控系统研究及设计[J].工业设计,2011,(8):205～206，28.

[5] 李江全，张丽，岑红蕾.Visual Basic串口通信与测控应用技术实战详解[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[6] 王凤杰，陈立胜.基于Modbus协议的计算机与变频器的通信[J].机械制造与自动化,2008,37(5):128～130.