解析CiA402

CiA404框架解析刘允松共7页第1页CiA402框架解析刘允松摘要本文针对ATV71/32/12，介绍CiA控制框架下通讯控制时，变频器的命令（字）和状态（字）的互动关系，从而介绍在通讯的模式下如何以速度模式控制变频器。关键字变频器CiA框架总线通讯引言随着总线技术的发展和机械制造商与电气系统集成商的认知上的进步，以总线通讯的方式控制变频调速器和运动控制器已经越来越普遍地接受。但是不管是电气工程人员还是施耐德公司的技术支持同事，在编写通讯控制程序和调试过程中，经常会碰到一些困难或疑问，尤其是很多人反映不容易搞清变频器的命令字和状态字之间的相互关系。本文就将对此展开阐述，厘清一些概念，并相应提出参考建议，从而使控制流程简化，并节省资源，提高通讯效率。本文的重点是阐述通讯模式下，变频器的控制流程，对于每一种通讯协议都是通用的，所以并不涉及总线协议方式及其硬软件实现。CiA402的概念在通讯控制中，有三种类型的框架，及通讯框架，功能框架和应用框架。其中通讯框架描述网络或总线的特征，包括电缆、接头、电气特性、访问协议、寻址系统、周期交换服务、发信服务等等；应用框架总体上定义由机械上的设备提供的服务；而功能框架描述一类设备的表现，如功能、参数（名称，格式，单位，类型等）、周期性I/O变量、状态表等等。对于某类设备家族的成员，它们分别具有共同或类似的功能框架：比如所有调速驱动器具有相同或类似的功能框架，所有伺服驱动器具有相同或类似的功能框架，编码器家族，远程I/O家族，显示终端家族也分别具有有类似的功能框架，目的是为了实现标准化或者互换性。1991年开始，以施耐德变频器为代表的欧系调速驱动器以DRIVECOM作为功能框架，从2005年开始逐渐演变为CiA402(调速和运动控制设备框架)，代表了调速和运动设备功能框架的最新标准，并成为IEC61800-7标准的一部分。IEC61800-7标准定义了几种调速器的功能框架，其中包括CiA402，PROFIFRIVE，CIP等。换句话说，DRIVECOM以前是耳熟能详的术语，但是现在已经是历史名词，取而代之的是CiA402，也可以说是IEC61800-7标准。现在施耐德的主流变频器如ATV61/71，ATV32，ATV12/303（以下简称ATV变频器）遵守的都是CiA402功能框架，是本文阐述的对象。而即将淘汰的ATV31/312执行的是DriveCom，与CiA402略有区别，会在后续的文章中简单介绍。而ATV61/71/32还有一种非常实用的I/O控制框架，也将另文介绍。CiA402功能框架具有下列特征：驱动器只能遵守一定的命令流程进行起停控制；控制字是标准化的；控制字中有5位(bit11—15)可以赋予其它功能；CiA404框架解析刘允松共7页第2页适用于所有通讯协议（Modbus,CANopen,Ethernet,ProfibusDP,DeviceNet）。在IEC61800-7标准中，CiA402功能框架控制变频器和运动控制器的方框图如图1所示。图1a控制图图1b速度控制简图图中括号内是61800-7标准中规定的相应参数的CANopen地址。对应于ATV变频器，相应的控制图和速度控制模式简图见图2.图2aATV变频器控制图图2bATV变频器速度控制简图图2a中CMd我们习惯称为命令字，CanOpen地址为6040H，ETA我们习惯称为状态字，CANopen地址为6041H，与61800-7标准一致。另外为了与Drivecom保持一定的连贯性，它们还有另外的地址2037H/2,2002H/2。图2b中的各个参数在变频器的通讯变量表中都可以找到，这些参数与变频器本身的CiA404框架解析刘允松共7页第3页标准参数可能有一些区别，比如LFRD的单位为rpm，而不是Hz,SMIL,SMAL,SPAL,SPAt,SPDL,SPdt等参数在通讯变量表中都可以找到，而在变频器的标准参数中可能查不到，但可以分别与变频器的上下限频率，加减速时间对应。而且频率给定字还可以表达为LFR，以Hz为单位。CiA402状态图在CiA402框架下，ATV变频器的状态字与命令字的互动符合图3所示的状态图。注意：此图已经本人根据理解修正。这是用通讯的方式控制变频器的核心规则。现将各种状态详细描述。图3CiA402状态表CiA404框架解析刘允松共7页第4页状态描述初始化开始，这是一个瞬间的过渡状态，通讯网络上看不到该站点的状态。变频器未激活，状态显示NST。如果变频器控制回路由外部开关电源供电，则可以不必对功率部分上电。如果功率部分未上电，则状态字ETA=××40H，如果功率部分已上电，则ETA=××50H。输出级被锁定，不向电机输出。这时变频器可以修改任意的配置和调整参数。等待功率部分上电。如果变频器控制回路由外部电源供电，则可不必对功率部分上电，但只有上电才能转到下一步。如果功率部分未上电，则ETA=××21H，状态显示NLP。如果功率部分已上电，则ETA=××31H，状态显示RDY。这时变频器可以修改任意的配置和调整参数。功率部分已上电，功率输出级也已准备就绪，但是变频器未向电机输出电压。正常情况下，变频器的状态应为RDY，但是如果由于端子或其它控制的因素也可能出现FST（即快停）。在这种状态下，可以修改调整参数，但若修改配置参数，状态会变到3。变频器在运行，向电机输出电压。包含加速，加速，稳速运行等状态。有一个例外，当变频器开环控制，速度给定为零，或者通过控制字使变频器处于”Halt”(暂停)状态，变频器将不向电机输出电压，但变频器仍然显示RUN的状态。变频器处于快停状态，但这也许是一个暂态，取决于参数QuickStopMode（QStd）的设置。如果QStd=FST2，变频器将按照快停斜坡停车，然后最终变到状态2.如果QStd=FSt6，变频器将按照快停斜坡停车，并保持在快停状态6。CiA404框架解析刘允松共7页第5页这是变频器出现故障时的过渡状态，状态字仍然是故障前的值，在这期间，变频器将根据参数定义的故障反应类型停车，之后过渡到故障状态8.故障状态，变频器锁定，对电机没有输出，变频器显示相应的故障代码。CiA状态字ETA状态字的意义逐位说明如下表。Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0WarningSwitchondisabledQuickStopVoltageEnabledFaultOperationEnabledSwitchedonReadytoSwitchon0＝无报警，1＝有报警0＝通电允许，1＝上电禁止0＝有快停指令，1＝无快停指令0＝未上电，母线已供电0＝无故障，1＝有故障0＝未使能，1＝使能，运行0＝未通电，1＝已通电，正常0=不必通电，1=等待通电或通电Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8DirectionofrotationStopbySTOPkeyReservedto0Reservedto0InternalLimitactiveTargetReachedRemoteReserveto00=正转，1＝反转0＝正常操作，1＝按STOP键停车此位保留，＝0此位保留，＝00＝正常，1＝给定超限0＝给定未到达，1＝给定到达（稳速运行）0＝远程控制，1＝命令或给定来自总线此位保留，＝0表一状态字逐位说明在大多数情况下，我们仅仅关心状态字ETA的低8位，尤其是bit6,5,3,2,1,0，所以可将ETA与16#006F位乘，记为MSKETA,这样状态表中典型的状态如下表所示。状态Bit6Bit5Bit3Bit2Bit1Bit0MSKETA2Switchondisabled10000016#00403Readytoswitchon01000116#00214Switchedon01001116#00235Operationenabled01011116#00276QuickStopActive00011116#00078Fault00100016#0008表二典型的状态字其它典型的状态字还有：ETA=16#0637，正转，速度到达（稳速）或暂停；CiA404框架解析刘允松共7页第6页ETA=16#8637，反转，速度到达（稳速）或暂停；ETA=16#0237，正转，加速或减速中；ETA=16#8237，反转，加速或减速中。CiA控制字（命令字）控制字习惯称为命令字，通讯控制时，CiA状态表的变化流程取决于控制字。在CiA框架中，控制字的逐位定义如下表所示。Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0FaultResetReservedto0Reservedto0EnableOperationQuickStopEnableVoltage通电01的上升沿复位可以复位的故障保留位，请保持为0保留位，请保持为0使能，1＝使能快停，0＝快停（紧急停车）电源通电允许控制上电接触器（通过逻辑输出）Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8AssignableAssignableAssignableAssignableRotationDirectionTargetReachedReservedto0Halt,1tohalt功能可定义功能可定义功能可定义功能可定义0＝正转，1＝反转保留位，请保持为0保留位，请保持为0暂停表三控制字逐位说明表状态与控制字的关系这样，CiA402状态表中状态与控制字的互动关系可用下表表示。表中X表示可以为0或1。命令转换号目标状态Bit7Bit3Bit2Bit1Bit0典型控制字关闭2、6、83准备上电XX11016#0006上电34上电XX11116#0007使能45运行X111116#000F禁止运行54上电X011116#0007禁止电压7、9、10、122禁止上电XXx0x16#0000快停116快停激活Xx01X16#00027、122禁止上电复位故障152禁止上电01xxxX16#0080表四状态与控制字的关系表总结与注意事项：1.通过CiA框架状态表结合状态与控制字的关系表，我们可以比较清楚地了解通过通讯控制变频器时必须的控制流程。比如，在通讯控制中，变频器控制回路上电后，变频器的状态不是RDY（就绪），而是nst（switchondisabled），必须先发控制字16#0006，使状态变为Readytoswitchon，然后再发控制字16#0007，使状态变为Switchedon。这时才进入RDY状态，允许启动（使能）。CiA404框架解析刘允松共7页第7页2.出现故障，而通过按钮，按STOP/RESET键或发控制字16#0080重新复位后，变频器的状态重新变为switchondisabled，在重新启动之前须重新依次发控制字16#0006，16#0007使变频器的状态变为Switchedon，方可允许重新启动。3.正转控制字为16#000F，反转控制字为16#080F。而且在正转时可直接发反转控制命令，变频器的频率将按斜坡由正经0转负，反之亦然。4.在运行时，发控制字16#010F可使变频器的输出频率按斜坡降到零，在开环控制下，变频器将停止输出频率和电压，在闭环控制时，变频器将输出频率0，但有力矩和电流输出，变频器的状态仍然为RUN，这个过程成为暂停，实际上是给定频率暂停。5.在运行时，发控制字16#0007F可使变频器停止输出。在变频器的参数中，设置参数[禁止运行选项码Dis.OperatoptCode](DOTD)设置为1时变频器将按照斜坡停车，最终到RDY状态，相当于正常停车；如果将[禁止运行选项码](DOTD)设置为0，则变频器将自由停车，但变频器状态也变为RDY。6.在运行时，按STOP键或断开设置为自由停车的端子，或者断开PWR或STO，将使变频器的状态变为Switchondisabled（变频器显示nst）。在运行时，断开设置为快速停车的端子，将使状态变为Switchedon（变频器显示FST）。7.在运行时，发控