三菱變頻器與工控機的網(wǎng)絡通訊控制研究

趙丹，魚展，劉少剛，舒海生，張馳航

哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

三菱變頻器與工控機的網(wǎng)絡通訊控制研究

趙丹，魚展，劉少剛，舒海生，張馳航

哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

針對變頻器控制面板操作復雜，專業(yè)化要求較高且無法實現(xiàn)實時控制的問題，建立了基于RS485串行通信接口的三菱變頻器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。采用三菱變頻器專用通信協(xié)議實現(xiàn)工控機對變頻器的啟動、狀態(tài)監(jiān)測以及對變頻器內(nèi)部參數(shù)的讀寫。以速度控制為例，給出了基于RS485進行串行通訊控制的解決方案。實驗結(jié)果表明，該方案可以實現(xiàn)電機在工作過程中的平滑無極調(diào)速，調(diào)速精度小于 ±0．2%。

三菱變頻器；RS485；網(wǎng)絡控制；轉(zhuǎn)速控制；轉(zhuǎn)矩控制

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器在自動化生產(chǎn)以及工業(yè)試驗平臺中取得了廣泛的應用［1-3］。變頻器的控制面板，人工操作比較復雜，專業(yè)化要求高，并且在計算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存等諸多方面存在弱點［4-5］。另外，對一些需要頻繁啟停的試驗平臺，采用操作面板對變頻器進行參數(shù)設(shè)置或啟停操作非常不便，因此，為了簡化變頻器操作過程、降低人員的專業(yè)化程度以及實現(xiàn)對試驗平臺的全自動化操作，研究工控機與變頻器之間的通訊控制具有相當重要的意義。

目前，國內(nèi)外大多數(shù)變頻器公司推出的變頻器都帶有RS485串行通訊接口，為用戶通過工控機控制變頻器提供了條件［6-10］。三菱FR-A740系列變頻器由其經(jīng)濟、可靠的現(xiàn)場級網(wǎng)絡，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。因此，本文主要研究基于RS485串行通信接口的三菱變頻器網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，采用三菱變頻器專用通信協(xié)議實現(xiàn)工控機對變頻器的啟動、狀態(tài)監(jiān)測、控制模式變更以及對變頻器內(nèi)部參數(shù)的讀寫。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩層，分別為監(jiān)測控制層和執(zhí)行層。工控機作為監(jiān)測控制層，具備對系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能。其一方面對變頻器進行控制，另一方面將現(xiàn)場信息（如：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的測量信號和變頻器的電壓、電流、輸出頻率以及報警等）傳達給工控機。而變頻器作為執(zhí)行層，將工控機下達的指令執(zhí)行，進而實現(xiàn)對電機的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求選用三菱FR-A740高性能矢量變頻器，其在閉環(huán)時可進行高精度的轉(zhuǎn)矩、速度、位置控制并有強大的網(wǎng)絡通訊功能。硬件設(shè)備如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)備硬件連接圖

本系統(tǒng)所用的三菱FR-A740變頻器的通訊接口就是RS485的形式，它采用的是全雙工RS485（共有4根數(shù)據(jù)線，接收和發(fā)送分開進行），與工控機上的RS485接口相連，提高串口通信的傳輸距離和速度，保證信號傳輸?shù)臏蚀_性。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 工控機控制的變頻調(diào)速原理接線圖

3 軟件設(shè)計

3．1 控制及監(jiān)測界面設(shè)計

根據(jù)事先設(shè)定的工控機與變頻器通訊軟件設(shè)計流程，系統(tǒng)的運行控制及狀態(tài)監(jiān)測的LabVIEW界面如圖4所示。其主要包括串口設(shè)置、控制模式、參數(shù)寫入、運行狀態(tài)監(jiān)測和運行參數(shù)監(jiān)測。其中串口設(shè)置的波特率為19 200 bit／s，數(shù)據(jù)位為8位，采用偶校驗，停止位為1位；控制模式中網(wǎng)絡模式是用來切換變頻器從PU模式或外部模式到網(wǎng)絡模式，監(jiān)測曲線用來監(jiān)測電機的各個參數(shù)的運行曲線，當網(wǎng)絡模式切換完成后則可以實現(xiàn)實時的控制電機的正向、反向速度或者轉(zhuǎn)矩、自由停車和故障復位；參數(shù)寫入是將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的指令代碼寫入變頻器，使其按照設(shè)定速度啟動；運行狀態(tài)監(jiān)測主要是監(jiān)測電機的運行和速度轉(zhuǎn)矩的顯示值；運行參數(shù)監(jiān)測主要是監(jiān)測電機運行時的電流、電壓、頻率以及電機就緒、運行、停機、故障和報警的狀態(tài)顯示。

圖4 試驗臺的運行控制及狀態(tài)監(jiān)測界面

3．2 通訊協(xié)議

本實驗主要采用三菱變頻器協(xié)議，進行上位機與變頻器的通訊，通訊形式以ASCII碼（16進制）進行，其通訊步驟如圖5所示。

圖5 三菱變頻器專用協(xié)議與計算機通訊步驟

步驟A為計算機向變頻器發(fā)送要求數(shù)據(jù)；步驟B為通訊等待，根據(jù)數(shù)據(jù)位的長短決定；步驟C針對發(fā)送給計算機的數(shù)據(jù)要求，從變頻器返回數(shù)據(jù)；步驟D為等待變頻器處理時間；步驟E是變頻器反饋數(shù)據(jù)C，是輸送從計算機發(fā)送的反饋信息。

三菱變頻器的自身協(xié)議規(guī)范了RS485數(shù)據(jù)通訊的格式規(guī)范，數(shù)據(jù)從計算機向變頻器的所有數(shù)據(jù)都是以ASCII碼的形式發(fā)送，其發(fā)送通訊要求數(shù)據(jù)如表1所示。表1內(nèi)數(shù)據(jù)的通訊格式均為16進制，數(shù)據(jù)在計算機和變頻器之間自動的使用ASCII碼進行傳輸。

表1 變頻器向計算機發(fā)送通訊要求數(shù)據(jù)格式

現(xiàn)在以計算機和變頻器的通訊常用格式為例，來說明變頻器和計算機之間的通訊，其格式如表2所示。表2中的求和校驗＝變頻器站號＋指令代碼＋等待時間＋數(shù)據(jù)。計算出求和校驗的結(jié)果，取低字節(jié)的內(nèi)容，轉(zhuǎn)換為2位的16進制ASCII碼，其中等待時間為H30，CR／LF為H0D。

表2 變頻器向計算機發(fā)送通訊要求數(shù)據(jù)格式

3．3 變頻器通信參數(shù)設(shè)置

工控機與變頻器通訊，工控機一側(cè)不僅要設(shè)置相應的通訊參數(shù)，如通訊地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位，變頻器一側(cè)也有一些參數(shù)需要設(shè)置，具體的設(shè)置參數(shù)如表3所示。

表3 變頻器通信參數(shù)的設(shè)置

4 變頻器與工控機通訊控制實例與驗證

三菱變頻器與工控機的通訊控制包括參數(shù)的寫入和讀取。參數(shù)寫入包括運行頻率、運行指令、參數(shù)、變頻器復位等。讀出參數(shù)類型包括監(jiān)視參數(shù)和運行參數(shù)。下面以對變頻器寫入運行頻率和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，直接實時改變電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩為例，來說明該通訊協(xié)的具體應用。根據(jù)現(xiàn)場控制精度需要，變頻器選用矢量控制模式［11-12］，并與帶有PLG的電機進行配合使用。

4．1 速度控制

速度控制是根據(jù)變頻器的改變電機的頻率來改變電機的速度，通過運行指令和頻率指令來控制電機的啟停。PLG此刻主要和變頻器構(gòu)成一個速度閉環(huán)，使交流電機的控制精度得到很大提高。

4．1．1 速度控制的寫入

頻率與電機的速度為線性關(guān)系，電機的寫入速度為ni，電機的額定速度為nn，實際的寫入變頻器中的頻率為fw，帶入式（1）即可得到向變頻器內(nèi)部寫入的時的頻率值，頻率的單位為0．01 Hz。

例如，設(shè)定電機的額定速度為 750 r／min（50．00 Hz時電機所對應的頻率），當設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速為375 r／min，可以得到寫入的頻率。通過式（1）可得實際寫入的頻率為25．00 Hz。

頻率寫入指令為HED，頻率值H09C4，求和代碼為H30＋H30＋H45＋H44＋H30＋H30＋H39＋H43＋H34＝H1F9，取低位HF9轉(zhuǎn)換為16進制的ASCII，寫入后變頻器返回值為06 30 30 0D，表示接收正常。但是變頻器只接收頻率指令，無法啟動電機，還需要發(fā)送電機的啟動方式。運行指令的寫入為HF9，正向速度控制指令寫入值為H0002。綜上，頻率指令的寫入格式如表4所示，啟動指令的寫入格式如表5所示。當2條指令寫入后，電機將按照設(shè)定的速度正常啟動。

表4 速度控制頻率指令寫入

表5 速度控制啟動指令寫入

4．1．2 速度的讀取

速度的讀取也是通過讀取頻率來實現(xiàn)的，其頻率是變頻器通過監(jiān)測當前的輸出電流電壓，根據(jù)自身的模擬算法推算出矢量控制時變頻器的輸出頻率。其中nr為電機的當前速度，frc為讀取變頻器的實際輸出頻率的十進制數(shù)，其轉(zhuǎn)換公式如式（2）所示。

例如，當通過速度讀取指令得到的返回值為30 39 43 34，即頻率值為H09C4，轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)是2500，則實際運行頻率為25．00 Hz，因此，帶入式（2）可得電機當前的運行速度為375 r／min。變頻器的讀取指令如表6所示，變頻器的返回指令如表7所示。

表6 頻率讀取指令

表7 變頻器的返回指令

4．2 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制是為了保證產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)矩與設(shè)定的轉(zhuǎn)矩指令值相匹配，當電機的輸出轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機將會加速。因此，為了防止出現(xiàn)過速度，應該設(shè)定速度上限值，以避免電機的速度過度上升。

4．2．1 轉(zhuǎn)矩控制的寫入

由圖6分析知，轉(zhuǎn)矩的控制大小是根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)矩的大小來調(diào)節(jié)的，變頻器可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的－400%～400%，在參數(shù)Pr805的參數(shù)寫入過程中，是以 1 000%為轉(zhuǎn)矩的寫入零點，大于1 000%即為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，小于1 000%即為制動轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)矩模式的寫入是根據(jù)運行指令標志位里面的MC端子置ON來控制的。輸入轉(zhuǎn)矩值為Ti，電機的額定轉(zhuǎn)矩為Tn，因此可得變頻器寫入的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為TD，其轉(zhuǎn)換如式（3）：

制動轉(zhuǎn)矩為TB，其轉(zhuǎn)換如式（4）：

設(shè)定變頻器的輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為電機額定轉(zhuǎn)矩的50%，即寫入的變頻器的數(shù)據(jù)為30 34 31 41，轉(zhuǎn)矩的寫入指令如表8所示，啟動指令寫入如表9所示。

圖6 Pr805（或Pr806）參數(shù)的設(shè)置

表8 轉(zhuǎn)矩指令寫入

表9 轉(zhuǎn)矩啟動指令寫入

4．2．2 轉(zhuǎn)矩的讀取

轉(zhuǎn)矩的讀取和轉(zhuǎn)矩的寫入模式不同，是將電機的額定轉(zhuǎn)矩設(shè)為100%，按照百分比進行讀取的，讀取值得單位為0．1%。轉(zhuǎn)矩的讀取通過兩步完成：首先，給狀態(tài)監(jiān)視器命令HF3，轉(zhuǎn)矩讀取的數(shù)據(jù)為H07；然后，寫入讀取命令H72，即可讀取當前的轉(zhuǎn)矩值，Tr為電機當前轉(zhuǎn)矩值，Trc為讀取變頻器轉(zhuǎn)矩的十進制數(shù)，讀取的轉(zhuǎn)換如式（5）：

寫入狀態(tài)監(jiān)視器代碼和轉(zhuǎn)矩讀取指令代碼如表10和表11所示，通過相應的計算即可得到電機當前運行的轉(zhuǎn)矩值。

表10 寫入狀態(tài)監(jiān)視器

表11 轉(zhuǎn)矩讀取指令

4．3 速度控制實例驗證

在圖2所示的變頻器中分別對電機的容量、極數(shù)、工頻、額定電壓等電機參數(shù)進行設(shè)置，根據(jù)上位機的通訊界面配置變頻器的各項通訊參數(shù)，本次采用的是三菱變頻器自身的通訊協(xié)議。為了保證整個系統(tǒng)的通訊正常，還需要設(shè)定電機的上限頻率、下限頻率、加速時間和減速時間等相關(guān)參數(shù)。

上述參數(shù)設(shè)定后，切換變頻器為網(wǎng)絡通訊模式，即可通過上位機界面下發(fā)速度控制指令，進而實現(xiàn)變頻器對電機轉(zhuǎn)速的實時控制，同時上位機對變頻器和電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。另外，為測量電機的實際轉(zhuǎn)速，在實驗前，將測速傳感器安裝在電機輸出軸端。實驗現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)如表12所示。表12中設(shè)定轉(zhuǎn)速為上位機發(fā)送的速度指令，輸出頻率為頻率讀取指令的返回值，測量轉(zhuǎn)速為測速傳感器的測量值。

表12 變頻器通信參數(shù)的設(shè)置

據(jù)表12數(shù)據(jù)分析可知：測量轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的最大誤差為0．12%，表明矢量控制模式下，變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的精確控制。輸出頻率為三菱變頻器頻率讀取指令的返回值，與變頻器矢量控制模式下的電機轉(zhuǎn)速對應；電機在實驗過程中，由于未加負載，故軸端輸出扭矩在100～700 r／min速度下的值變化不大。

5 結(jié)束語

本文通過RS485串行通信接口和三菱變頻器專用通信協(xié)議，來實現(xiàn)工控機與三菱變頻器的通訊?；贚abVIEW建立了良好的人機交互界面，通過上位機界面更改變頻器的控制模式，監(jiān)測變頻器的運行狀態(tài)，設(shè)置變頻器的參數(shù)，進而實現(xiàn)變頻器對電機的遠程控制。工業(yè)現(xiàn)場實驗及測試表明，矢量控制模式下，變頻器能夠?qū)﹄姍C實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的精確控制，滿足一般控制系統(tǒng)的要求。

［1］牛一川，孫東．三電平逆變器的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)［J］．應用科技，2012，39（1）：16-20．

［2］龍三平，劉偉，游江．永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］．應用科技，2006，33（8）：28-29．

［3］XUE Fei，LI Mengru．Research and design of control energy recovery system for lifting mechanism based on LabVIEW［C］／／Proceedings of 2010 International Conference on Cir-cuit and Signal Processing．Shanghai，China，2010：695-697．

［4］張洛平，陳遠方，賀紅霞．VC＋＋下的變頻器與工控機通訊程序的開發(fā)［J］．機械與電子，2011（6）：51-53．

［5］高銳，姜波．基于USS協(xié)議的WinCC與S7-200變頻器網(wǎng)絡通訊研究［J］．工業(yè)控制計算機，2009，22（5）：3-4．

［6］鄭德華，陶繼偉．RS-485通訊協(xié)議在集散控制系統(tǒng)中的應用［J］．中國儀器儀表，2009（9）：93-95．

［7］彭萬歡，徐剛．基于LabVIEW的富士變頻器與工控機的RS485通信［J］．機電工程技術(shù)，2010，39（2）：21-23．

［8］申建廣，陶濤，梅雪松，等．基于RS-485的單片機與三菱變頻器通訊的多電機控制研究［J］．機床與液壓，2012，40（9）：5-7．

［9］高澤東，李建軍，高教波．基于RTX的實時伺服控制系統(tǒng)［J］．計算機應用，2011，31（S2）：212-215．

［10］宮厚良，陳曾漢．基于RTX和LabVIEW的多任務實時測控系統(tǒng)［J］．計算機應用，2007，31（6）：1551-1552．

［11］陳志強．基于DSP的矢量控制牽引變頻器的研究［D］．南京：東南大學，2010：1-8．

［12］于會軍，劉曉艷．包裝行業(yè)中的變頻器矢量控制［J］．湖南大學學報，2002，29（3）：106-109．

The research of Mitsubishi inverter and IPC network control system

ZHAO Dan，YU Zhan，LIU Shaogang，SHU Haisheng，ZHANG Chihang
College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Aiming at the complex，specialty requirements and unfulfillable real-time control of a frequency changer，the Mitsubishi inverter network control system based on RS485 serial communication interface was established．Mit-subishi inverter communication protocol was used in inter-process communication（IPC）to drive control panel star-tup，monitor status，as well as read and write to the inverter internal parameters．Speed control and torque control application case were given based on RS485 serial communication and control solutions．The results show that the smooth stepless speed regulation can be realized during the working process and the precision is less than±0．2%．

Mitsubishi inverter；RS485；network control；speed control；torque control；IPC

TP368．1

A

1009-671X（2014）03-0031-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201308006

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201308006．html

2013-08-15．

日期：2014-06-05．

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金資助項目（HEUCF120704）．

趙丹（1978-），女，講師，工學博士；

魚展（1989-），男，碩士研究生．

趙丹，E-mail：zhaodan＠hrbeu．edu．cn．