李方園（1973-）

    男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級工程師，長(cháng)期從事于變頻器等現代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。



    摘  要：隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，變頻器的功能碼參數越來(lái)越多，幾百個(gè)參數甚至上千個(gè)參數都很普遍，如果用傳統的手動(dòng)輸入法就會(huì )耗費非常多的時(shí)間，如果能夠通過(guò)計算機進(jìn)行參數傳送，那將會(huì )變得非?？旖莺蜏蚀_?，F在很多變頻器廠(chǎng)商都開(kāi)發(fā)了計算機監控運行軟件，修改變頻器的功能代碼參數、控制變頻器的起動(dòng)停止、監視變頻器的運行狀態(tài)等工作就會(huì )易如反掌。另外，通過(guò)計算機上應用組態(tài)軟件，還可方便實(shí)現多臺變頻器通過(guò)計算機聯(lián)網(wǎng)運行，達到工業(yè)控制的效果。

    關(guān)鍵詞：計算機串口；變頻器參數；網(wǎng)絡(luò )控制；工控機

     Abstract: With the development of the technology, now there are more and more parameters in AC inverter. Hundreds and thousands parameters are very nomal in many kinds of AC inverters. So if we use the traditional way to input the parameters , it will cost us much time. By using PC to transfer the parameters, it will be very easy and fast. More softwares of the inverter monitor are used to change the fuction parameters, to stop and start AC inverter , and to know the statues of AC inverter running. The network control among many AC inverters will be realized with the configuration software in IPC.

     Key words: PC serial port; AC inverter Parameter; network control; IP

   
   1 計算機串口RS232C概況

   1.1 計算機串口RS232C介紹

    計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線(xiàn)路少、成本低，特別是在遠程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用。

    在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。 RS-232-C接口（又稱(chēng) EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )（EIA）聯(lián)合貝爾系統、調制解調器廠(chǎng)家及計算機終端生產(chǎn)廠(chǎng)家共同制定的用于串行通訊的標 準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進(jìn)制數據交換接口技術(shù)標準”，該標準規定采用一個(gè)25個(gè)腳的 DB25連接器，對連接器的每個(gè)引腳的信號內容加以規定，還對各種信號的電平加以規定。

    （1）接口的信號內容

    實(shí)際上RS-232-C的25條引線(xiàn)中有許多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用3-9條引線(xiàn)。RS-232-C最常用的9條引線(xiàn)的信號內容見(jiàn)表1。

                  表1   RS-232-C最常用的9條引線(xiàn)的信號內容

                      

    （2）接口的電氣特性

    在RS-232-C中任何一條信號線(xiàn)的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏 輯“1”為-5~-15V；邏輯“0” 為+5~+15V；噪聲容限為2V，即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高到-3V的信號作為邏輯“1”。

    （3）接口的物理結構

    RS-232-C接口連接器一般使用型號為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。一些設備與PC機連接的RS-232-C接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條接口線(xiàn)，即“發(fā)送數據”、“接收數據”和“信號地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)。

    （4）傳輸電纜長(cháng)度

    由RS-232C標準規定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(cháng)度應為15米，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應用中，約有99%的用戶(hù)是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì )遠超過(guò)15米。

    1.2 RS232C通訊最常見(jiàn)的接線(xiàn)方式

    常見(jiàn)的通訊方式是三線(xiàn)式（如圖1所示），這種方式是將兩個(gè)RS232設備的發(fā)送端(TXD)和接收端(RXD)及接地端(GND)互相連接，也是許多讀者所知道的連接方式。

                 

                               圖1   連接方式

     這種方式分別將兩端的RS232接口的2-3，3-2，5（7)-5(7)針腳連接起來(lái)。其中2是數據接收線(xiàn)(RXD)，3是數據發(fā)送線(xiàn)(TXD)，5(7)是接地(RND)。如果有一臺式PC，和一部筆記本電腦，就可以用這種方式連線(xiàn)了。用三線(xiàn)式可以將大多數的RS232設備連接起來(lái)。但如果你認死了2-3，3-2，5(7)-5(7)對接這個(gè)理，會(huì )發(fā)現在連某些RS232設備時(shí)并不奏效。這是因為有些設備在電路內部已將2和3線(xiàn)調換過(guò)來(lái)了，你只要2，3，5(7)針一一對應就行了。

    1.3 RS232C串口調試中要注意的幾點(diǎn)

    在RS232C串口調試中要注意以下幾點(diǎn)：

    （1）不同編碼機制不能混接，如RS232C不能直接與RS422或RS485等接口相連；

    （2）線(xiàn)路焊接要牢固，不然通訊程序沒(méi)問(wèn)題，卻因為接線(xiàn)問(wèn)題誤事；

    （3）串口調試時(shí)，準備一個(gè)好用的調試工具，如串口調試助手、串口精靈等，有事半功倍之效果；

    （4）強烈建議不要帶電插撥串口，插撥時(shí)至少有一端是斷電的，否則串口易損壞。

    2 變頻計算機控制系統的組構

    2.1 變頻計算機控制系統的重要性

    由于變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，變頻器的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，變頻器的功能也越來(lái)越強大，如何快速地對變頻器進(jìn)行調試或者對變頻器進(jìn)行監控成為目前變頻器應用領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。

    變頻器的功能碼參數越來(lái)越多，幾百個(gè)參數甚至上千個(gè)參數都很普遍，如果用傳統的手動(dòng)輸入法就會(huì )耗費非常多的時(shí)間，如果能夠通過(guò)計算機進(jìn)行參數傳送，那將會(huì )變得非?？旖莺蜏蚀_?，F在很多變頻器廠(chǎng)商都開(kāi)發(fā)了計算機監控運行軟件，修改變頻器的功能代碼參數、控制變頻器的起動(dòng)停止、監視變頻器的運行狀態(tài)等工作就會(huì )易如反掌。另外，通過(guò)計算機上應用組態(tài)軟件，還可方便實(shí)現多臺變頻器通過(guò)計算機聯(lián)網(wǎng)運行，達到工業(yè)控制的效果。

    所有這些功能的實(shí)現都有賴(lài)于變頻計算機控制系統的建立。

    2.2 變頻計算機控制系統的幾種方式

    以艾默生EV2000變頻器為例，變頻計算機控制系統按照通訊方式的類(lèi)型劃分主要有以下幾種方式：

   （1）變頻器RS232接口與計算機的連接

                    

                           圖2   變頻器與計算機的通訊接線(xiàn)一

     （2）變頻器RS485接口與計算機的連接
                     

                          圖3   變頻器與計算機的通訊接線(xiàn)二

     （3）變頻器通過(guò)MODEM與計算機的遠程連接

                   

                         圖4   變頻器與計算機的通訊接線(xiàn)三
    3 變頻計算機控制系統的應用案例：多類(lèi)型變頻器間的通訊

    在現代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、大功率晶體管電子技術(shù)的迅速發(fā)展、大規模集成電路和微機技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動(dòng)機變頻調速技術(shù)已日趨完善，在漿紙、煉鋼、紡織印染、卷煙、化工、高層建筑供水等各行各業(yè)得到了廣泛應用，并取得了節能、減少維修、提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量等方面明顯的經(jīng)濟效益。但由于變頻器品牌的不同，相互間難以建立通訊，給自動(dòng)化控制帶來(lái)了一定的困難，對于電控一體化、管控一體化也提出了新的要求。

    這里著(zhù)重討論的是一種基于工控機的多類(lèi)型變頻器間的通訊，它能方便地實(shí)現不同類(lèi)型的變頻器之間的聯(lián)網(wǎng)控制、集群作業(yè)和監控功能。通用變頻器雖然類(lèi)型多，更新?lián)Q代快，卻基本上保留有RS232或RS485或RS422串行通訊端口，這就給各類(lèi)變頻器與工控機的通訊帶來(lái)了相對的通用性。

    3.1 工控機與多類(lèi)型變頻器之間通訊的硬件構造

    本系統采用研華工控機IPC 610作為通訊建構的主機，以多類(lèi)型變頻器按類(lèi)別不同各自組成不同的回路，聯(lián)入到工控機COM1～COM8口，按照主從機的控制模式進(jìn)行硬件構造。其中同類(lèi)型變頻器通過(guò)RS232串行口用RXD、TXD兩線(xiàn)進(jìn)行串接，構成一個(gè)回路，接到工控機的一個(gè)串行口COM端子上（見(jiàn)圖5）。

    工控機IPC610已經(jīng)成功地應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、環(huán)境監控、制造自動(dòng)化以及數據處理和信息交換等領(lǐng)域，是目前應用相當廣泛的一款機型。它的關(guān)鍵部件為CPU卡PCA－6155V和無(wú)源底板PCA－6114P4。其中CPU卡PCA－6155V具有：（1）支持INTEL Pentium系列和AMD K5/K6系列的CPU，能實(shí)現快速升級；（2）卡上帶PCI SVGA；（3）支持M－Systems DOC 2000FLASH電子盤(pán)；（4）支持2個(gè)DIMM和2個(gè)SIMM內存條；（5）卡上帶PC/104擴展接口。采用無(wú)源底板的方式可以降低死機的概率、簡(jiǎn)化差錯過(guò)程、升級更簡(jiǎn)便并使整個(gè)系統更有效。底板PCA－6114P4包括插槽（9個(gè)ISA總線(xiàn)插槽、4個(gè)PCI插槽和1個(gè)PICME插槽）、PC板（4層PCB，包括地線(xiàn)和電源層）等。

    在硬件配置上，將串行通訊卡插入到工控機主板插槽上能夠實(shí)現多類(lèi)型變頻器間的串行通訊，通過(guò)對串行卡的地址設置，就可以經(jīng)程序設置相應CPU端口數據，然后即可進(jìn)行數據通訊，如讀取和寫(xiě)入數據等。

    考慮到變頻器類(lèi)型的多樣性，本系統采用8端口串行RS-232通訊卡進(jìn)行連接，使最多的類(lèi)型數達到8種。該串口通訊卡具有以下的特點(diǎn)：（1）通過(guò)DOS/WIN的設備驅動(dòng)程序實(shí)現簡(jiǎn)單的串口數據傳輸；（2）串行端口可分別選通到中斷線(xiàn)IRQ2-7、10-12、15中的任何一個(gè)；（3）共享中斷機制，提供快速靈活的中斷處理，允許高波特率和數據吞吐量；（4）每個(gè)端口有足夠的FIFO緩存，保證不會(huì )產(chǎn)生數據丟失和溢出錯誤。另外，它還可以通過(guò)跳線(xiàn)設定為COM1～COM8。
 

                         圖5   工控機與變頻器通訊的硬件連接

    3.2 工控機與變頻器間通訊的軟件流程

    工控機與變頻器之間通訊的軟件設計是基于主從機系統的原理。該系統中，工控機做為主機發(fā)送一個(gè)命令字符包給變頻器，然后等待從變頻器返回來(lái)的應答字符包。該字符包的格式同發(fā)送的格式一樣，但它已經(jīng)包含了更新過(guò)的數值和變頻器的運行狀態(tài)，這樣就構成了主從機系統。變頻器做為從機，能夠在主機不發(fā)送新命令的情況下，按照上次的主機命令運行。

    基于工控機的多類(lèi)型變頻器的軟件流程其具體描述如圖6所示，它共包括如下幾個(gè)方面的內容：

    （1）初始化通訊卡：對串行口COM1～COM8的各項參數進(jìn)行設定，如波特率（600、1200、9600等）、字符格式（包括開(kāi)始位、數據位、停止位、奇偶校驗等）、傳送字符包格式（包括長(cháng)度、每個(gè)字符的含義等）。

    （2）初始化數據庫：系統對所有變頻器的工藝數據和控制參數都采用統一的交換數據庫。對于控制參數設立一個(gè)三維參數數據庫D（x , y , z） x : 表示COM串行端口號；y : 表示各端口中串行回路中變頻器的通訊地址位；z : 表示每一個(gè)變頻器的參數序列。其他工藝數據也照此設立。初始化的功能就是打開(kāi)相應的數據庫讀入到人機界面中，以使程序協(xié)調不同型號變頻器相互間的通訊。

    （3）啟動(dòng)人機界面：本系統的特點(diǎn)是具有豐富的人機界面，以監控為主，能清晰地顯示各個(gè)回路變頻器的運行情況，因此人機界面包括菜單、操作畫(huà)面切換、設定數據和實(shí)際數據區域、歷史曲線(xiàn)和設定曲線(xiàn)查詢(xún)及顯示、變頻器故障報警列表等。

    （4）接收通訊卡COM1～COM8數據：按照串行通訊協(xié)議以查詢(xún)方式來(lái)接收串口COM1～COM8各路數據，該數據包括各變頻器的指定參數值和運行狀態(tài)情況。將通訊卡中接收的數據直接進(jìn)入工控機系統的三維數據庫內，供主程序進(jìn)行處理。

    （5）主程序：

    負責人機界面的運行和數據庫的處理；

    對接收的各變頻器信號進(jìn)行診斷和模擬，并作出結果顯示，如聯(lián)鎖I/O顯示、故障顯示等；

    實(shí)現工控機與變頻器的通訊功能：?jiǎn)螜C啟動(dòng)命令（正反轉、點(diǎn)動(dòng)、預設速度等）和組群?jiǎn)?dòng)等；

    運行顯示分狀態(tài)顯示和速度、電流等模擬量顯示。

    （6）發(fā)送數據到通訊卡：將主程序命令的通訊數據按特定的通訊協(xié)議發(fā)送到對應的串口COM端自上。

    （7）維護程序：為保證工控機系統的實(shí)時(shí)性能和系統的可靠運行以及變頻器維修更換后的數據設定，必須對相應的變頻器進(jìn)行維護，包括變頻器初始化、變頻器參數設定和修改、通訊監視程序。
                   

                    圖6   基于工控機的多類(lèi)型變頻器間的通訊軟件流程

    在軟件處理過(guò)程中，從開(kāi)始到啟動(dòng)人機界面為止屬于初始化階段，待接口卡、數據庫等初始化結束后馬上進(jìn)入主程序循環(huán)：正常情況下，切換開(kāi)關(guān)1和2接通，從通訊卡接收數據后，進(jìn)入主程序，然后又輸出數據給通訊卡，如此往復；如果進(jìn)入維護狀態(tài)時(shí)（人機界面菜單中選擇“維護”命令），切換開(kāi)關(guān)1和3接通，由于本系統采用主從機系統，從機能在主機不發(fā)送命令的情況下按上次的指令運行，因此并不會(huì )中斷系統的運行，但系統的數據更新將停止，這時(shí)可以進(jìn)行在線(xiàn)維護的各種操作，待維護程序關(guān)閉后，切換開(kāi)關(guān)1和3關(guān)閉、1和2接通，進(jìn)入正常情況。

    4 總結

    按照基于工控機IPC的多類(lèi)型變頻器的通訊技術(shù)，對各種工況條件下原有單一分散的風(fēng)機、泵、傳動(dòng)機械等不同型號的變頻器進(jìn)行監控，以組態(tài)方式實(shí)現各功能組，在實(shí)踐運行中取得了較為滿(mǎn)意的結果，可靠性和可維護性均較強，值得推廣和應用。

    參考文獻：

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    [3] 張燕賓，胡綱衡，唐瑞球. 使用變頻調速技術(shù)培訓教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2004.

    [4] 吳忠智，吳加林. 變頻器應用手冊（第2版）[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2003.

    [5] 吳忠智，黃立培，吳加林. 調速用變頻器及配套設備選用指南[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2002.


                                                      ——轉自《自動(dòng)化博覽》