基于MCGS與變頻器通信的烘干監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王新娜，王志軍（1.河南工業(yè)大學(xué)漯河工學(xué)院，河南 漯河 462002；2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462002）

0 引 言

某生物制藥廠生產(chǎn)的醫(yī)藥中間體在制造過程中采用三段烘干技術(shù)烘干產(chǎn)品。三段烘干技術(shù)的一段為預(yù)熱，二段為烘干，三段為干燥。通過控制三段熱風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)熱風(fēng)量，從而滿足工藝要求。由于需要調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此采用變頻器調(diào)速。3臺(tái)變頻器按照一定順序起停，節(jié)約能源。此外，由于生產(chǎn)產(chǎn)品的多樣性，熱風(fēng)機(jī)的速度也要做出相應(yīng)的改變。

1 控制方案與比較

變頻器速度的調(diào)節(jié)方案有4種，下面對(duì)每種方案進(jìn)行簡(jiǎn)單論述和對(duì)比。

1.1 采用變頻器自身進(jìn)行運(yùn)行

變頻器自身頻率的設(shè)定可以采用面板設(shè)定、外部電位器設(shè)定、多段速設(shè)定或遙控設(shè)定，啟動(dòng)依靠面板和外部端子。該方案的優(yōu)點(diǎn)不需要外部元器件，缺點(diǎn)是需要3個(gè)操作面板，但面板的監(jiān)控能力有限。

1.2 采用PC機(jī)控制

利用軟件組態(tài)監(jiān)控畫面，通過通信技術(shù)控制通信，監(jiān)控能力強(qiáng)且全面，但不適合現(xiàn)場(chǎng)控制和操作。

1.3 采用PLC控制

該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，如果采用PLC則需增加相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器，增加成本和接線，降低了運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，并提高了維修和故障排除的難度。

1.4 采用觸摸屏和變頻器直接連接通信控制

該方案的優(yōu)點(diǎn)是采用通信技術(shù)，布線少，1塊觸摸屏可以同時(shí)控制和監(jiān)控3臺(tái)變頻器，畫面豐富，監(jiān)視清晰全面，柜面整潔，且采用觸摸鍵操作提高了控制系統(tǒng)的IP系數(shù)。但是，它的缺點(diǎn)是要進(jìn)行畫面組態(tài)和下載。

2 方案的確定與器件的選擇

2.1 方案確定

根據(jù)上面方案的對(duì)比，最終采用第4種方案。該方案采用1臺(tái)觸摸屏控制3臺(tái)變頻器，系統(tǒng)的硬件示意圖如圖1所示。觸摸屏和變頻器之間采用RS485主-從通信方式，其中觸摸屏作為主機(jī)讀寫3臺(tái)變頻器的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)3臺(tái)變頻器的操作與監(jiān)視。

圖1 觸摸屏和變頻器連接圖

觸摸屏對(duì)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制：利用觸摸屏向變頻器發(fā)出啟動(dòng)、停止以及調(diào)試指令；利用觸摸屏設(shè)置變頻器的運(yùn)行頻率，并傳遞給每臺(tái)變頻器；在觸摸屏上顯示每臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率、電流、輸出電壓以及電動(dòng)機(jī)的過載報(bào)警顯示；實(shí)現(xiàn)3臺(tái)變頻器的順序起停。根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的要求，需要從可靠性、先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面選擇觸摸屏和變頻器。

2.2 觸摸屏選擇

觸摸屏采用昆侖通態(tài)公司研制的專門用于組態(tài)軟件MCGS的TPC7602K系列7寸TFT觸摸屏。該產(chǎn)品的分辨率高，內(nèi)核為Cortex-A8，主頻300 MHz，內(nèi)存128 MB。此外，采用Windows CE操作系統(tǒng)，具有LAN、USB、RS232以及RS485通信能力[1]。

2.3 變頻器選擇

變頻器選擇三菱公司生產(chǎn)的FR-FA500變頻器。該系列變頻器為風(fēng)機(jī)專用變頻器，具有性能強(qiáng)大、節(jié)能、可靠以及價(jià)格較低等特點(diǎn)[2]。

3 觸摸屏和變頻器通信連接

觸摸屏和變頻器之間采用RS485全雙工串行通信技術(shù)，兩者之間屬于主-從通信方式，觸摸屏是主站，3臺(tái)變頻器是從站。主站輪換訪問從站，從站進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)變頻器的起停和監(jiān)控參數(shù)的讀取[3]。觸摸屏和變頻器的通信如圖2所示。

圖2 觸摸屏和變頻器通信連接示意圖

3.1 觸摸屏通信口連接與設(shè)置

TPC7602K觸摸屏的串行通信采用DB九針接口。該接口具有RS232和RS485兩種通信能力，串行接口引腳圖和引腳定義分別如圖3和表1所示。為減少通信干擾，打開觸摸屏后蓋，設(shè)置終端的匹配電阻如圖4所示。

圖3 串行接口引腳圖

表1 引腳定義

圖4 終端匹配電阻設(shè)置

3.2 變頻器通信接口連接與設(shè)置

三菱RR-F700變頻器的通信方式有采用PU接口、采用RS485專用端子排以及采用CB通信板3種，本系統(tǒng)采用RS485專用端子排。3個(gè)變頻器和觸摸屏的通信以及變頻器之間的通信連接如圖5所示，最后一個(gè)變頻器的終端電阻開關(guān)處于OPEN的位置[4]。

4 FR-F700變頻器通信技術(shù)與通信參數(shù)設(shè)置

FR-F700變頻器的通信方式包括計(jì)算機(jī)鏈接通信和Modbus-RTU通信兩種。由于采用的是RS485專用端子通信技術(shù)，因此FR-F700變頻器采用的通信方式為計(jì)算機(jī)鏈接通信。變頻的通信參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

Pr340設(shè)置為12的目的是當(dāng)通信或者觸摸屏出現(xiàn)故障時(shí)，通過PU/EXT鍵切換為面板操作，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖5 變頻器和觸摸屏的通信和變頻器之間的通信連接

表2 變頻器通信參數(shù)設(shè)置表

三菱變頻器為了識(shí)讀上位機(jī)對(duì)變頻器的操作和，特地約定使用相應(yīng)的十六進(jìn)制命令代碼，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和變頻器的順利通信。采用的十六進(jìn)制命令代碼如表3所示[5]。其中，運(yùn)行指令主要是向變頻器發(fā)出電流選擇、正反轉(zhuǎn)指令以及多段速運(yùn)行等指令。

表3 十六進(jìn)制命令代碼

5 觸摸屏的組態(tài)

觸摸屏的組態(tài)采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件。該軟件是昆侖通態(tài)公司專門為MCGSTPC開發(fā)的組態(tài)軟件，支持多種硬件設(shè)備。與相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)合，它可以快速且方便地采集現(xiàn)場(chǎng)，處理和控制數(shù)據(jù)[6]。觸摸屏的組態(tài)包括設(shè)置通信協(xié)議、設(shè)計(jì)人機(jī)界面以及編寫控制過程的腳本函數(shù)等。

5.1 通信協(xié)議組態(tài)

通過軟件的設(shè)備窗口設(shè)置通信協(xié)議，如圖6所示。設(shè)置參數(shù)要和變頻器表2的設(shè)置相同。由于采用RS485通信，因此串口的端口號(hào)選擇COM2口。

圖6 通信協(xié)議組態(tài)

5.2 人機(jī)監(jiān)控畫面的組態(tài)

根據(jù)控制要求，監(jiān)控畫面中包括運(yùn)行指令按鈕、運(yùn)行指示、運(yùn)行頻率設(shè)定、電流監(jiān)視以及運(yùn)行頻率監(jiān)視等。

5.3 腳本程序編寫

腳本程序是畫面顯示和觸摸屏與變頻器通信實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)變頻器的操作，利用MCGS軟件的內(nèi)部函數(shù)！SetDevice（設(shè)備名，6，設(shè)備命令）來實(shí)現(xiàn)。設(shè)備名就是窗口設(shè)備組態(tài)時(shí)的設(shè)備命名。如圖7所示，其中的設(shè)備0、設(shè)備1以及設(shè)備2均為設(shè)備名。

圖7 設(shè)備組態(tài)圖

設(shè)備命令指令有兩條。命令一為READ（指令代碼，返回變量名，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)），其中，指令代碼如表3所示，變量名就是指界面顯示數(shù)據(jù)的響應(yīng)的變量。命令二為WRITE（指令代碼，輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，小數(shù)點(diǎn)尾數(shù)）。例如，向變頻器0寫入運(yùn)行頻率為30 Hz，則指令為：

設(shè)定頻率=設(shè)定頻率1

！SetDevice（設(shè)備0，6，WRITE（HED，H0BB8，2，0））

HED是指令代碼，根據(jù)表3可知為向變頻器寫入運(yùn)行頻率。H0BB8是十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，是運(yùn)行頻率大小，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為3 000，則運(yùn)行頻率為3 000×0.01 Hz=30 Hz。

讀取設(shè)備1的運(yùn)行電流：

！SetDevice（設(shè)備1，6，READ（H70，運(yùn)行頻率，2，0））

運(yùn)行電流2=運(yùn)行電流

其中，“設(shè)定頻率”“設(shè)定頻率1”“運(yùn)行電流”“運(yùn)行電流2”是組態(tài)時(shí)定義的數(shù)據(jù)變量。

6 結(jié) 論

基于昆侖通態(tài)組態(tài)軟件MCGS和昆侖通態(tài)TPC觸摸屏所具有的強(qiáng)大且便捷的編程能力，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)變頻器的直接通信控制，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。經(jīng)3個(gè)月的運(yùn)行顯示可知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)減少了設(shè)備故障，提高了設(shè)備的運(yùn)行率，減輕了維修人員的工作強(qiáng)度，給企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，也為其他設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。