基于Win9X的多臺三菱變頻器控制

1引言
由于變頻器具有優良的控制特性以及其高效節能的特點，使得變頻器近幾年在各個領域被廣泛的采用。在某些場合，需要用一臺工控機靈活地控制多臺變頻器，以達到控制交流電機的目的。在油田輸油控制系統中，多臺變頻器的控制問題成為關鍵，按照以往的控制方法，需要使用PLC或者控制電路板來控制變頻器。然而使用這種方法造價高、系統復雜、布線量大、故障率高，因此亟需一種結構簡單、造價低廉、可靠性高的系統來實現多臺變頻器的控制。
針對這一需要，一些公司（如日本三菱、德國西門子、日本東芝等）推出了帶有RS-485通信接口的變頻器，使用戶能方便靈活地選擇變頻器的強大功能，設計各自的工業控制系統。因此，我們可以充分利用廠商提供的工業總線接口，使控制系統布線簡潔，穩定可靠。
目前，我們在利用工業總線接口開發用戶程序時，大部分都是基于DOS環境下的，隨著Windows操作系統的普及使得DOS單任務系統固有的缺陷顯得日益突出，人們越來越希望能在Windows的環境下進行工業控制。
在Windows　9X下開發工控軟件,不僅可以實現多任務操作，充分利用硬件資源，而且可以利用Windows　9X下豐富的開發工具，方便地生成各種菜單及友好的圖形界面,軟件產品質量高且開發周期短。但在Windows　9X環境下，系統完全接管了各種硬件資源，不允許用戶直接對系統硬件進行控制。如何在Windows　9X/NT環境下開發微機的底層資源,已成為當今工控業的一個值得探討的課題。
本文以三菱FR-A500變頻器的串行通信為例，利用Visual　Basic　6.0的ActiveX控件—Microsoft　Communication控件，通過對變頻器串行通信協議的分析，解決了Windows　9X環境下與多個變頻器的串行通信,　成功地實現了用單臺工控PC機對多臺交流異步電機的靈活控制，從而在Windows9X環境下如何實現串行通信的問題上作了有益的嘗試。
2　油田輸油控制系統的簡介
由于多臺變頻器的控制技術是油田輸油控制系統中的關鍵，所以有必要簡單介紹一下本控制系統的概況。
油田輸油控制系統主要有以下幾部分構成，圖1所示：
1. 中央控制器,主要一臺工控計算機及其通信模塊構成，它主要負責發送控制指令及控制參數，并根據現場返回的工況數據調整控制參數;
2. 監控信號和管道反饋信號由RS—485總線連接到中央控制器；
3. 泵站1~n主要油泵、變頻器、通信適配器、管道傳感器等構成；

圖1　油田輸油控制系統結構組成

控制系統的通信原理
根據油田輸油控制系統的要求,我們給出了通信原理框圖（圖2），這里只重點突出工控PC機與變頻器RS—485的接口部分。RS—485的驅動器可帶32個接收器,在波特率為100Ｋbit/s時,通信距離可達到1200ｍ;　通信距離為15ｍ時,波特率可達10Ｍbit/s。在工業現場，RS-485是應用較多的一種通信方式。
圖2　中工控PC機通過RS-232C—RS-485轉換器與多個變頻器相連接,最多可達到32臺。每個變頻器被賦予各自的地址碼用以識別身份,這樣,上位機便能通過RS-485通信線,對掛在上面的所有變頻器進行控制操作。

圖2　　通信原理框圖

變頻器的串行口通信協議分析
通過對油田輸油控制系統的結構設計，以及對三菱FR-A500變頻器原理及通信方式的研究，我們發現三菱FR-A500變頻器的通信方式為異步半雙工RS—485協議；波特率19200bit/s，9600bit/s,4800bit/s　可選；ASCII　7或8位數據位可選；1位奇偶校驗可選；1或2位停止位可選。其通信協議的數據格式有十種，分別為：
A，A’，B，C，D，E，E’，F，G，H；
下面以格式A為例簡要說明一下變頻器通信協議：
格式A的功能是變頻器運行頻率、運行參數的寫入和復位變頻器，其結構如下：
/UpImagePic/Info/2007130112145509.jpg
*1　ENQ——表示控制代碼，它有以下幾種：(括號內為ASCII碼)
　　STX　(H02)　正文數據開始；ETX　(H03)　正文數據結束；ENQ　(H05)　通信請求；
ACK　(H06)　應答無數據錯誤；LF　(H0A)　換行；CR　(H0D)　回車；
NAK　(H15)　應答發現數據錯誤；
*2變頻器站號——可用十六進制數在H00和H1F（站號0　至31　）間設定；
*3指令代碼——由計算機發給變頻器，指明程序要求（如：監視、運行等）；
*4等待時間——規定變頻器收到從計算機來的數據和傳輸應答數據之間的等待時間。根據計算機的響應時間在0和150ms之間設定，最小設定單位10ms。
*5數據——表示計算機與變頻器之間傳輸的數據，如：頻率、參數等；
*6總合校驗——由被校驗的ASCII碼數據的總和（二進制）的最低一個字節表示的2個ASCII數字（十六進制）。
*7表示CR（回車）、LF（換行）代碼。
與格式A相對應的數據格式有C和D；若用戶程序通信請求以格式A發送到變頻器的數據被變頻器接受，則變頻器以格式C形式的數據返回給計算機；若變頻器發現計算機發送的數據有誤，則變頻器以格式D形式的數據返回給計算機。
數據格式C和D分別如下：
/UpImagePic/Info/2007130112146723.jpg
其他的數據格式的功能如下：格式A’　用于運行指令的寫入，其對應的應答數據格式為格式C和格式D；格式　B用于監視變頻器的運行參數（頻率、電壓、電流、轉速）及讀出變頻器的系統參數，其對應的應答數據格式為E、E’、F、G、H。

一般情況下，變頻器通過操作面板（PU）來設置變頻器參數，一旦參數設定好了，就不能改變，這樣很難通過現場信號進行實時的控制。通過以上對變頻器通信協議的分析，考慮用軟件來實現工控機與變頻器的串行通信，利用軟件可以靈活的實現系統所需的各種功能而不必改動現場的硬件電路，而且RS-485通信線最多能同時控制32臺變頻器，同時，各變頻器的運行狀態也能實時地回送給上位機。
5　控制系統通信控制軟件設計　
5.1串口通信程序設計方法
基于對系統結構和變頻器串口通信協議的分析，必須對工控計算機的串行口進行編程。在DOS的操作系統下，計算機所有的硬件對編程人員是透明的，因此比較容易進行內存管理和硬件中斷管理，所以程序的響應速度快。但是，DOS是單任務操作系統，對硬件資源浪費嚴重，并且在進行圖形界面編程時其難度和任務量都遠遠超過了對硬件部分的編程。因此我們采用Windows　9X操作系統和基于此平臺的開發軟件來編寫控制系統軟件。
在Windows　9X環境下，操作系統完全接管了各種硬件資源,　不允許用戶程序直接讀寫硬件端口和進行中斷管理。所以早期的程序員只能通過數目眾多的ＡＰＩ函數來控制端口，使用起來很不方便。
本系統利用VB6.0下提供了一個ActiveX控件（Microsoft　Communication控件,　簡稱MSComm　控件）來實現串行口的通信設計。通過在應用程序中嵌入MSComm控件的方式，進行計算機串口的通信管理，下面簡要介紹一下MSComm控件的功能：
MSComm　6.0控件可以實現數據緩沖區的管理，Input　（從緩沖區讀取接收數據）的數據類型為Variant，從緩沖區讀取數據的格式為字符串格式（Text）或二進制格式（Binary）。
MSComm控件提供的具體功能如表1：

　 圖3　變頻器串行通信軟件程序流圖

6　結束語
本文利用Win9X下的ActiveX控件和三菱變頻器RS-485的串行通信功能，成功實現了在Win9X環境下單臺IPC機對多臺三菱變頻器的控制，并能實時檢測各變頻器的運行狀態。整個控制系統靈活方便，具有很大的實用性。本文在Win9X下多臺變頻器控制的設計方案及軟件實現為此類問題的解決作了很好的嘗試與探索。與DOS方式的控制相比，具有開發周期短、充分利用硬件資源、軟件界面美觀等優點。但由于Win9X是多任務分時操作系統，所以該系統不能做到強實時控制，這是今后有待改進的地方。