趙丹，魚展，劉少剛，舒海生，張馳航

哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

三菱變頻器與工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

針對變頻器控制面板操作復(fù)雜，專業(yè)化要求較高且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(luò)控制系統(tǒng)。采用三菱變頻器專用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對變頻器的啟動(dòng)、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(jìn)行串行通訊控制的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(luò)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(dòng)化生產(chǎn)以及工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)中取得了廣泛的應(yīng)用［1-3］。變頻器的控制面板，人工操作比較復(fù)雜，專業(yè)化要求高，并且在計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存等諸多方面存在弱點(diǎn)［4-5］。另外，對一些需要頻繁啟停的試驗(yàn)平臺(tái)，采用操作面板對變頻器進(jìn)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(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)平臺(tái)的全自動(dòng)化操作，研究工控機(jī)與變頻器之間的通訊控制具有相當(dāng)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(jī)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(jì)、可靠的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(luò)控制系統(tǒng)，采用三菱變頻器專用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對變頻器的啟動(dòng)、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(jī)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(jìn)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(bào)警等）傳達(dá)給工控機(jī)。而變頻器作為執(zhí)行層，將工控機(jī)下達(dá)的指令執(zhí)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(shí)可進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)矩、速度、位置控制并有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。硬件設(shè)備如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)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(jìn)行），與工控機(jī)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?zhǔn)確性。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 工控機(jī)控制的變頻調(diào)速原理接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 控制及監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

根據(jù)事先設(shè)定的工控機(jī)與變頻器通訊軟件設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和運(yùn)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(yàn)，停止位為1位；控制模式中網(wǎng)絡(luò)模式是用來切換變頻器從PU模式或外部模式到網(wǎng)絡(luò)模式，監(jiān)測曲線用來監(jiān)測電機(jī)的各個(gè)參數(shù)的運(yùn)行曲線，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)模式切換完成后則可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的控制電機(jī)的正向、反向速度或者轉(zhuǎn)矩、自由停車和故障復(fù)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(dòng)；運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測主要是監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行和速度轉(zhuǎn)矩的顯示值；運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測主要是監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、頻率以及電機(jī)就緒、運(yùn)行、停機(jī)、故障和報(bào)警的狀態(tài)顯示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行控制及狀態(tài)監(jiān)測界面

3．2 通訊協(xié)議

本實(shí)驗(yàn)主要采用三菱變頻器協(xié)議，進(jìn)行上位機(jī)與變頻器的通訊，通訊形式以ASCII碼（16進(jìn)制）進(jìn)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(jì)算機(jī)通訊步驟

步驟A為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)要求，從變頻器返回?cái)?shù)據(jù)；步驟D為等待變頻器處理時(shí)間；步驟E是變頻器反饋數(shù)據(jù)C，是輸送從計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)制，數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)和變頻器之間自動(dòng)的使用ASCII碼進(jìn)行傳輸。

表1 變頻器向計(jì)算機(jī)發(fā)送通訊要求數(shù)據(jù)格式

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

表2 變頻器向計(jì)算機(jī)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(jī)與變頻器通訊，工控機(jī)一側(cè)不僅要設(shè)置相應(yīng)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(jī)通訊控制實(shí)例與驗(yàn)證

三菱變頻器與工控機(jī)的通訊控制包括參數(shù)的寫入和讀取。參數(shù)寫入包括運(yùn)行頻率、運(yùn)行指令、參數(shù)、變頻器復(fù)位等。讀出參數(shù)類型包括監(jiān)視參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。下面以對變頻器寫入運(yùn)行頻率和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，直接實(shí)時(shí)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩為例，來說明該通訊協(xié)的具體應(yīng)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(jī)進(jìn)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(jī)的頻率來改變電機(jī)的速度，通過運(yùn)行指令和頻率指令來控制電機(jī)的啟停。PLG此刻主要和變頻器構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)，使交流電機(jī)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(jī)的速度為線性關(guān)系，電機(jī)的寫入速度為ni，電機(jī)的額定速度為nn，實(shí)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(shí)的頻率值，頻率的單位為0．01 Hz。

例如，設(shè)定電機(jī)的額定速度為 750 r／min（50．00 Hz時(shí)電機(jī)所對應(yīng)的頻率），當(dāng)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為375 r／min，可以得到寫入的頻率。通過式（1）可得實(shí)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(jìn)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(dòng)電機(jī)，還需要發(fā)送電機(jī)的啟動(dòng)方式。運(yùn)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(dòng)指令的寫入格式如表5所示。當(dāng)2條指令寫入后，電機(jī)將按照設(shè)定的速度正常啟動(dòng)。

表4 速度控制頻率指令寫入

表5 速度控制啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)的，其頻率是變頻器通過監(jiān)測當(dāng)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(shí)變頻器的輸出頻率。其中nr為電機(jī)的當(dāng)前速度，frc為讀取變頻器的實(shí)際輸出頻率的十進(jìn)制數(shù)，其轉(zhuǎn)換公式如式（2）所示。

例如，當(dāng)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(jìn)制數(shù)是2500，則實(shí)際運(yùn)行頻率為25．00 Hz，因此，帶入式（2）可得電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)矩與設(shè)定的轉(zhuǎn)矩指令值相匹配，當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)將會(huì)加速。因此，為了防止出現(xiàn)過速度，應(yīng)該設(shè)定速度上限值，以避免電機(jī)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(jī)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(diǎn)，大于1 000%即為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，小于1 000%即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)矩模式的寫入是根據(jù)運(yùn)行指令標(biāo)志位里面的MC端子置ON來控制的。輸入轉(zhuǎn)矩值為Ti，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為Tn，因此可得變頻器寫入的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為TD，其轉(zhuǎn)換如式（3）：

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為TB，其轉(zhuǎn)換如式（4）：

設(shè)定變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jī)的額定轉(zhuǎn)矩設(shè)為100%，按照百分比進(jìn)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(dāng)前的轉(zhuǎn)矩值，Tr為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩值，Trc為讀取變頻器轉(zhuǎn)矩的十進(jìn)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(yīng)的計(jì)算即可得到電機(jī)當(dāng)前運(yùn)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(shí)例驗(yàn)證

在圖2所示的變頻器中分別對電機(jī)的容量、極數(shù)、工頻、額定電壓等電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)上位機(jī)的通訊界面配置變頻器的各項(xiàng)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(gè)系統(tǒng)的通訊正常，還需要設(shè)定電機(jī)的上限頻率、下限頻率、加速時(shí)間和減速時(shí)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(luò)通訊模式，即可通過上位機(jī)界面下發(fā)速度控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻器對電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)上位機(jī)對變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。另外，為測量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在實(shí)驗(yàn)前，將測速傳感器安裝在電機(jī)輸出軸端。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)；電機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中，由于未加負(fù)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(shí)現(xiàn)工控機(jī)與三菱變頻器的通訊?；贚abVIEW建立了良好的人機(jī)交互界面，通過上位機(jī)界面更改變頻器的控制模式，監(jiān)測變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置變頻器的參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻器對電機(jī)的遠(yuǎn)程控制。工業(yè)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及測試表明，矢量控制模式下，變頻器能夠?qū)﹄姍C(jī)實(shí)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。

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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(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（HEUCF120704）．

趙丹（1978-），女，講師，工學(xué)博士；

魚展（1989-），男，碩士研究生．

趙丹，E-mail：zhaodan＠hrbeu．edu．cn．