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    李方园（1973-）

    男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。



    摘  要：随着技术的发展，变频器的功能码参数越来越多，几百个参数甚至上千个参数都很普遍，如果用传统的手动输入法就会耗费非常多的时间，如果能够通过计算机进行参数传送，那将会变得非常快捷和准确。现在很多变频器厂商都开发了计算机监控运行软件，修改变频器的功能代码参数、控制变频器的起动停止、监视变频器的运行状态等工作就会易如反掌。另外，通过计算机上应用组态软件，还可方便实现多台变频器通过计算机联网运行，达到工业控制的效果。

    关键词：计算机串口；变频器参数；网络控制；工控机

     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 计算机串口RS232C概况

   1.1 计算机串口RS232C介绍

    计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。

    在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

    （1）接口的信号内容

    实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见表1。

                  表1   RS-232-C最常用的9条引线的信号内容

                      

    （2）接口的电气特性

    在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”为-5~-15V；逻辑“0” 为+5~+15V；噪声容限为2V，即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。

    （3）接口的物理结构

    RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

    （4）传输电缆长度

    由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为15米，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过15米。

    1.2 RS232C通讯最常见的接线方式

    常见的通讯方式是三线式（如图1所示），这种方式是将两个RS232设备的发送端(TXD)和接收端(RXD)及接地端(GND)互相连接，也是许多读者所知道的连接方式。

                 

                               图1   连接方式

     这种方式分别将两端的RS232接口的2-3，3-2，5（7)-5(7)针脚连接起来。其中2是数据接收线(RXD)，3是数据发送线(TXD)，5(7)是接地(RND)。如果有一台式PC，和一部笔记本电脑，就可以用这种方式连线了。用三线式可以将大多数的RS232设备连接起来。但如果你认死了2-3，3-2，5(7)-5(7)对接这个理，会发现在连某些RS232设备时并不奏效。这是因为有些设备在电路内部已将2和3线调换过来了，你只要2，3，5(7)针一一对应就行了。

    1.3 RS232C串口调试中要注意的几点

    在RS232C串口调试中要注意以下几点：

    （1）不同编码机制不能混接，如RS232C不能直接与RS422或RS485等接口相连；

    （2）线路焊接要牢固，不然通讯程序没问题，却因为接线问题误事；

    （3）串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果；

    （4）强烈建议不要带电插拨串口，插拨时至少有一端是断电的，否则串口易损坏。

    2 变频计算机控制系统的组构

    2.1 变频计算机控制系统的重要性

    由于变频器技术的快速发展，变频器的应用领域越来越广泛，变频器的功能也越来越强大，如何快速地对变频器进行调试或者对变频器进行监控成为目前变频器应用领域中的一个重要课题。

    变频器的功能码参数越来越多，几百个参数甚至上千个参数都很普遍，如果用传统的手动输入法就会耗费非常多的时间，如果能够通过计算机进行参数传送，那将会变得非常快捷和准确。现在很多变频器厂商都开发了计算机监控运行软件，修改变频器的功能代码参数、控制变频器的起动停止、监视变频器的运行状态等工作就会易如反掌。另外，通过计算机上应用组态软件，还可方便实现多台变频器通过计算机联网运行，达到工业控制的效果。

    所有这些功能的实现都有赖于变频计算机控制系统的建立。

    2.2 变频计算机控制系统的几种方式

    以艾默生EV2000变频器为例，变频计算机控制系统按照通讯方式的类型划分主要有以下几种方式：

   （1）变频器RS232接口与计算机的连接

                    

                           图2   变频器与计算机的通讯接线一

     （2）变频器RS485接口与计算机的连接
                     

                          图3   变频器与计算机的通讯接线二

     （3）变频器通过MODEM与计算机的远程连接

                   

                         图4   变频器与计算机的通讯接线三
    3 变频计算机控制系统的应用案例：多类型变频器间的通讯

    在现代工业生产中，随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善，在浆纸、炼钢、纺织印染、卷烟、化工、高层建筑供水等各行各业得到了广泛应用，并取得了节能、减少维修、提高产量、保证质量等方面明显的经济效益。但由于变频器品牌的不同，相互间难以建立通讯，给自动化控制带来了一定的困难，对于电控一体化、管控一体化也提出了新的要求。

    这里着重讨论的是一种基于工控机的多类型变频器间的通讯，它能方便地实现不同类型的变频器之间的联网控制、集群作业和监控功能。通用变频器虽然类型多，更新换代快，却基本上保留有RS232或RS485或RS422串行通讯端口，这就给各类变频器与工控机的通讯带来了相对的通用性。

    3.1 工控机与多类型变频器之间通讯的硬件构造

    本系统采用研华工控机IPC 610作为通讯建构的主机，以多类型变频器按类别不同各自组成不同的回路，联入到工控机COM1～COM8口，按照主从机的控制模式进行硬件构造。其中同类型变频器通过RS232串行口用RXD、TXD两线进行串接，构成一个回路，接到工控机的一个串行口COM端子上（见图5）。

    工控机IPC610已经成功地应用于工厂自动化、环境监控、制造自动化以及数据处理和信息交换等领域，是目前应用相当广泛的一款机型。它的关键部件为CPU卡PCA－6155V和无源底板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，能实现快速升级；（2）卡上带PCI SVGA；（3）支持M－Systems DOC 2000FLASH电子盘；（4）支持2个DIMM和2个SIMM内存条；（5）卡上带PC/104扩展接口。采用无源底板的方式可以降低死机的概率、简化差错过程、升级更简便并使整个系统更有效。底板PCA－6114P4包括插槽（9个ISA总线插槽、4个PCI插槽和1个PICME插槽）、PC板（4层PCB，包括地线和电源层）等。

    在硬件配置上，将串行通讯卡插入到工控机主板插槽上能够实现多类型变频器间的串行通讯，通过对串行卡的地址设置，就可以经程序设置相应CPU端口数据，然后即可进行数据通讯，如读取和写入数据等。

    考虑到变频器类型的多样性，本系统采用8端口串行RS-232通讯卡进行连接，使最多的类型数达到8种。该串口通讯卡具有以下的特点：（1）通过DOS/WIN的设备驱动程序实现简单的串口数据传输；（2）串行端口可分别选通到中断线IRQ2-7、10-12、15中的任何一个；（3）共享中断机制，提供快速灵活的中断处理，允许高波特率和数据吞吐量；（4）每个端口有足够的FIFO缓存，保证不会产生数据丢失和溢出错误。另外，它还可以通过跳线设定为COM1～COM8。
 

                         图5   工控机与变频器通讯的硬件连接

    3.2 工控机与变频器间通讯的软件流程

    工控机与变频器之间通讯的软件设计是基于主从机系统的原理。该系统中，工控机做为主机发送一个命令字符包给变频器，然后等待从变频器返回来的应答字符包。该字符包的格式同发送的格式一样，但它已经包含了更新过的数值和变频器的运行状态，这样就构成了主从机系统。变频器做为从机，能够在主机不发送新命令的情况下，按照上次的主机命令运行。

    基于工控机的多类型变频器的软件流程其具体描述如图6所示，它共包括如下几个方面的内容：

    （1）初始化通讯卡：对串行口COM1～COM8的各项参数进行设定，如波特率（600、1200、9600等）、字符格式（包括开始位、数据位、停止位、奇偶校验等）、传送字符包格式（包括长度、每个字符的含义等）。

    （2）初始化数据库：系统对所有变频器的工艺数据和控制参数都采用统一的交换数据库。对于控制参数设立一个三维参数数据库D（x , y , z） x : 表示COM串行端口号；y : 表示各端口中串行回路中变频器的通讯地址位；z : 表示每一个变频器的参数序列。其他工艺数据也照此设立。初始化的功能就是打开相应的数据库读入到人机界面中，以使程序协调不同型号变频器相互间的通讯。

    （3）启动人机界面：本系统的特点是具有丰富的人机界面，以监控为主，能清晰地显示各个回路变频器的运行情况，因此人机界面包括菜单、操作画面切换、设定数据和实际数据区域、历史曲线和设定曲线查询及显示、变频器故障报警列表等。

    （4）接收通讯卡COM1～COM8数据：按照串行通讯协议以查询方式来接收串口COM1～COM8各路数据，该数据包括各变频器的指定参数值和运行状态情况。将通讯卡中接收的数据直接进入工控机系统的三维数据库内，供主程序进行处理。

    （5）主程序：

    负责人机界面的运行和数据库的处理；

    对接收的各变频器信号进行诊断和模拟，并作出结果显示，如联锁I/O显示、故障显示等；

    实现工控机与变频器的通讯功能：单机启动命令（正反转、点动、预设速度等）和组群启动等；

    运行显示分状态显示和速度、电流等模拟量显示。

    （6）发送数据到通讯卡：将主程序命令的通讯数据按特定的通讯协议发送到对应的串口COM端自上。

    （7）维护程序：为保证工控机系统的实时性能和系统的可靠运行以及变频器维修更换后的数据设定，必须对相应的变频器进行维护，包括变频器初始化、变频器参数设定和修改、通讯监视程序。
                   

                    图6   基于工控机的多类型变频器间的通讯软件流程

    在软件处理过程中，从开始到启动人机界面为止属于初始化阶段，待接口卡、数据库等初始化结束后马上进入主程序循环：正常情况下，切换开关1和2接通，从通讯卡接收数据后，进入主程序，然后又输出数据给通讯卡，如此往复；如果进入维护状态时（人机界面菜单中选择“维护”命令），切换开关1和3接通，由于本系统采用主从机系统，从机能在主机不发送命令的情况下按上次的指令运行，因此并不会中断系统的运行，但系统的数据更新将停止，这时可以进行在线维护的各种操作，待维护程序关闭后，切换开关1和3关闭、1和2接通，进入正常情况。

    4 总结

    按照基于工控机IPC的多类型变频器的通讯技术，对各种工况条件下原有单一分散的风机、泵、传动机械等不同型号的变频器进行监控，以组态方式实现各功能组，在实践运行中取得了较为满意的结果，可靠性和可维护性均较强，值得推广和应用。

    参考文献：

    [1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 北京: 中国电力出版社，2006.

    [2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 北京: 电子工业出版社，2007.

    [3] 张燕宾，胡纲衡，唐瑞球. 使用变频调速技术培训教程[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.

    [4] 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册（第2版）[M]. 北京: 机械工业出版社，2003.

    [5] 吴忠智，黄立培，吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南[M]. 北京: 机械工业出版社，2002.


                                                      ——转自《自动化博览》