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    李方園（1973-）

    男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。



    摘  要：隨著技術的發展，變頻器的功能碼參數越來越多，幾百個參數甚至上千個參數都很普遍，如果用傳統的手動輸入法就會耗費非常多的時間，如果能夠通過計算機進行參數傳送，那將會變得非?？旖莺蜏蚀_。現在很多變頻器廠商都開發了計算機監控運行軟件，修改變頻器的功能代碼參數、控制變頻器的起動停止、監視變頻器的運行狀態等工作就會易如反掌。另外，通過計算機上應用組態軟件，還可方便實現多臺變頻器通過計算機聯網運行，達到工業控制的效果。

    關鍵詞：計算機串口；變頻器參數；網絡控制；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路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。

    在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。 RS-232-C接口（又稱 EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠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）之間串行二進制數據交換接口技術標準”，該標準規定采用一個25個腳的 DB25連接器，對連接器的每個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

    實際上RS-232-C的25條引線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。RS-232-C最常用的9條引線的信號內容見表1。

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

                      

    （2）接口的電氣特性

    在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。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，即“發送數據”、“接收數據”和“信號地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。

    （4）傳輸電纜長度

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

    1.2 RS232C通訊最常見的接線方式

    常見的通訊方式是三線式（如圖1所示），這種方式是將兩個RS232設備的發送端(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。其中2是數據接收線(RXD)，3是數據發送線(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了。用三線式可以將大多數的RS232設備連接起來。但如果你認死了2-3，3-2，5(7)-5(7)對接這個理，會發現在連某些RS232設備時并不奏效。這是因為有些設備在電路內部已將2和3線調換過來了，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

    在RS232C串口調試中要注意以下幾點：

    （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）線路焊接要牢固，不然通訊程序沒問題，卻因為接線問題誤事；

    （3）串口調試時，準備一個好用的調試工具，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

    由于變頻器技術的快速發展，變頻器的應用領域越來越廣泛，變頻器的功能也越來越強大，如何快速地對變頻器進行調試或者對變頻器進行監控成為目前變頻器應用領域中的一個重要課題。

    變頻器的功能碼參數越來越多，幾百個參數甚至上千個參數都很普遍，如果用傳統的手動輸入法就會耗費非常多的時間，如果能夠通過計算機進行參數傳送，那將會變得非常快捷和準確。現在很多變頻器廠商都開發了計算機監控運行軟件，修改變頻器的功能代碼參數、控制變頻器的起動停止、監視變頻器的運行狀態等工作就會易如反掌。另外，通過計算機上應用組態軟件，還可方便實現多臺變頻器通過計算機聯網運行，達到工業控制的效果。

    所有這些功能的實現都有賴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二

     （3）變頻器通過MODEM與計算機的遠程連接

                   

                         圖4   變頻器與計算機的通訊接線三
    3 變頻計算機控制系統的應用案例：多類型變頻器間的通訊

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

    這里著重討論的是一種基于工控機的多類型變頻器間的通訊，它能方便地實現不同類型的變頻器之間的聯網控制、集群作業和監控功能。通用變頻器雖然類型多，更新換代快，卻基本上保留有RS232或RS485或RS422串行通訊端口，這就給各類變頻器與工控機的通訊帶來了相對的通用性。

    3.1 工控機與多類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，以多類型變頻器按類別不同各自組成不同的回路，聯入到工控機COM1～COM8口，按照主從機的控制模式進行硬件構造。其中同類型變頻器通過RS232串行口用RXD、TXD兩線進行串接，構成一個回路，接到工控機的一個串行口COM端子上（見圖5）。

    工控機IPC610已經成功地應用于工廠自動化、環境監控、制造自動化以及數據處理和信息交換等領域，是目前應用相當廣泛的一款機型。它的關鍵部件為CPU卡PCA－6155V和無源底板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，能實現快速升級；（2）卡上帶PCI SVGA；（3）支持M－Systems DOC 2000FLASH電子盤；（4）支持2個DIMM和2個SIMM內存條；（5）卡上帶PC/104擴展接口。采用無源底板的方式可以降低死機的概率、簡化差錯過程、升級更簡便并使整個系統更有效。底板PCA－6114P4包括插槽（9個ISA總線插槽、4個PCI插槽和1個PICME插槽）、PC板（4層PCB，包括地線和電源層）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現多類型變頻器間的串行通訊，通過對串行卡的地址設置，就可以經程序設置相應CPU端口數據，然后即可進行數據通訊，如讀取和寫入數據等。

    考慮到變頻器類型的多樣性，本系統采用8端口串行RS-232通訊卡進行連接，使最多的類型數達到8種。該串口通訊卡具有以下的特點：（1）通過DOS/WIN的設備驅動程序實現簡單的串口數據傳輸；（2）串行端口可分別選通到中斷線IRQ2-7、10-12、15中的任何一個；（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）每個端口有足夠的FIFO緩存，保證不會產生數據丟失和溢出錯誤。另外，它還可以通過跳線設定為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，工控機做為主機發送一個命令字符包給變頻器，然后等待從變頻器返回來的應答字符包。該字符包的格式同發送的格式一樣，但它已經包含了更新過的數值和變頻器的運行狀態，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，它共包括如下幾個方面的內容：

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

    （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相應的數據庫讀入到人機界面中，以使程序協調不同型號變頻器相互間的通訊。

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

    （4）接收通訊卡COM1～COM8數據：按照串行通訊協議以查詢方式來接收串口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情況。將通訊卡中接收的數據直接進入工控機系統的三維數據庫內，供主程序進行處理。

    （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行診斷和模擬，并作出結果顯示，如聯鎖I/O顯示、故障顯示等；

    實現工控機與變頻器的通訊功能：單機啟動命令（正反轉、點動、預設速度等）和組群啟動等；

    運行顯示分狀態顯示和速度、電流等模擬量顯示。

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

    （7）維護程序：為保證工控機系統的實時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   基于工控機的多類型變頻器間的通訊軟件流程

    在軟件處理過程中，從開始到啟動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入主程序循環：正常情況下，切換開關1和2接通，從通訊卡接收數據后，進入主程序，然后又輸出數據給通訊卡，如此往復；如果進入維護狀態時（人機界面菜單中選擇“維護”命令），切換開關1和3接通，由于本系統采用主從機系統，從機能在主機不發送命令的情況下按上次的指令運行，因此并不會中斷系統的運行，但系統的數據更新將停止，這時可以進行在線維護的各種操作，待維護程序關閉后，切換開關1和3關閉、1和2接通，進入正常情況。

    4 總結

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

    參考文獻：

    [1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社，2006.

    [2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社，2007.

    [3] 張燕賓，胡綱衡，唐瑞球. 使用變頻調速技術培訓教程[M]. 北京: 機械工業出版社，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: 機械工業出版社，2002.


                                                      ——轉自《自動化博覽》