陶金牛，李錫文

（1.華中科技大學，湖北 武漢 430074；2.空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

0 引言

蠕動泵，又稱軟管泵，按工作原理屬于容積泵。工作時，流體位于密封的軟管內(nèi)，滾輪對軟管擠壓產(chǎn)生吸力［1］，可以傳輸具有腐蝕性和剪切力敏感的流體［2］，因此被廣泛應(yīng)用于制藥、食品和化工行業(yè)。

目前，小流量蠕動泵使用較多，其傳輸?shù)牧黧w黏性低，流量以mL3／min計，采用直流調(diào)速驅(qū)動。而傳輸大傳輸流量（超過103L／h）、高黏度流體時應(yīng)采用變頻調(diào)速驅(qū)動的蠕動泵，但目前這種應(yīng)用還不完善。為了實現(xiàn)某定量加料系統(tǒng)中的自動運行和遠程控制，本文針對采用LS變頻器的大流量蠕動泵，基于虛擬儀器技術(shù)，完成了其控制系統(tǒng)的開發(fā)。

1 蠕動泵控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 蠕動泵控制系統(tǒng)硬件組成

蠕動泵控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。通過基于LS專用通信協(xié)議編寫的控制軟件，實現(xiàn)上位機與蠕動泵之間的數(shù)據(jù)交換，實時改變轉(zhuǎn)速并獲取當前的運行參數(shù)。由于采用的是RS485半雙工異步（UART）通信，最大可靠通信距離達到700m，因此上位機和變頻器能夠布置在不同的場所，實現(xiàn)遠程操縱。另外，變頻器與蠕動泵之間支持最大電纜長度為500m，也能夠?qū)崿F(xiàn)分開放置。

1.2 控制軟件原理

上位機控制軟件使用LabVIEW進行編寫。Lab－VIEW圖形化編程語言具有完善的人機交互控件，并具有豐富的函數(shù)庫和儀器驅(qū)動，可以方便地將各廠商的硬件集成到系統(tǒng)中。本軟件各功能主要是對串口通信協(xié)議的調(diào)用，所以，編程的實質(zhì)是使用LabVIEW中VISA串口通信模塊實現(xiàn)LS通信協(xié)議的各種功能。

圖1 蠕動泵控制系統(tǒng)硬件組成

2 LS協(xié)議分析

系統(tǒng)使用LS公司生產(chǎn)的SV－iG5系列變頻器，它支持 Modbus－RTU、Modbus－ASCⅡ通信協(xié)議和 LS公司開發(fā)的串行通信協(xié)議LS－BusASCⅡ。Modbus協(xié)議的應(yīng)用比較常見，而LS協(xié)議目前主要應(yīng)用于LS旗下的變頻器、PLC等產(chǎn)品中。

2.1 物理層

LS通信協(xié)議支持RS－485接口，允許“兩線結(jié)構(gòu)”的點對點和點對多的數(shù)據(jù)傳輸，LS兩線制拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中S＋，S－，CM對應(yīng)著RS485接口的邏輯1、邏輯0和公共地，最多可以支持16臺變頻器。

2.2 協(xié)議原理

LS－BusASCⅡ是一個主／從協(xié)議，變頻器作為從機，計算機作為主機。在同一時刻只有一個主站和多個從站連接于通信線路中，信息通信總是由主站發(fā)起，從站在沒有收到來自主站的請求時不發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不發(fā)生通信。

圖2 LS兩線制拓撲結(jié)構(gòu)

類似于 Modbus－ASCⅡ協(xié)議，LS－BusASCⅡ協(xié)議中數(shù)據(jù)以十六進制ASCⅡ碼的形式傳輸［3］。例如，上位機要發(fā)送十進制數(shù)值“3000”給變頻器，則首先要將其轉(zhuǎn)換為十六進制字符串“0BB8”，然后將每個字符轉(zhuǎn)換為十六進制ASCⅡ碼“30h42h43h38h”進行傳輸。上位機接收變頻器的數(shù)據(jù)時，執(zhí)行相反的過程。

2.3 報文格式

LS－BusASCⅡ協(xié)議報文遵守嚴格的格式和字符長度限制。協(xié)議規(guī)定了3種基本報文格式：請求、應(yīng)答回復(fù)和拒絕應(yīng)答回復(fù)。同時還規(guī)定了4種功能碼，分別是“R”，“W”，“X”和“Y”，代表4種基本操作：讀取寄存器、寫入寄存器、監(jiān)控注冊和監(jiān)控讀取。這4種基本操作的請求、應(yīng)答回復(fù)和拒絕應(yīng)答回復(fù)報文各不相同，具體包含的字節(jié)見表1。

表1 LS－BusASCⅡ協(xié)議詳細報文格式及長度

表1中，Drive No為儀器編號相當于儀器的地址，在報文中占用2個字節(jié)，從站編號從01開始，最大為0F，上位機指定發(fā)送的對象需要與變頻器I／O－46參數(shù)中的字符一致；Address為寄存器地址，變頻器中不同地址的寄存器對應(yīng)著不同的功能，改變或讀取其中的值，可以改變或獲取蠕動泵的運行狀態(tài)；協(xié)議采用了名為“SUM”的求和校驗，SUM值是全部有效字節(jié)（不帶頭尾碼）的十六進制ASCⅡ碼相加后所得數(shù)值的低八位，SUM值首先由發(fā)送設(shè)備計算，然后將其轉(zhuǎn)換為字符串附在報文中，接收設(shè)備再次計算，并將計算結(jié)果與實際接收到的SUM值進行比較，如果不相等，則報錯。

3 程序編寫

3.1 程序流程

系統(tǒng)的程序運行界面如圖3所示，主要功能有蠕動泵的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，以及電壓、電流、頻率的設(shè)定與監(jiān)控。這些功能按觸發(fā)條件可以分為3類：按鈕觸發(fā)、旋鈕觸發(fā)和無動作觸發(fā)。

按鈕觸發(fā)包括蠕動泵的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，這些指令通過點擊前面板上的布爾控件觸發(fā)，不點擊不執(zhí)行，而且執(zhí)行時要從程序的其他分支跳出。旋鈕觸發(fā)包括頻率和轉(zhuǎn)速的設(shè)定，這種設(shè)定是實時的，改變了旋鈕的位置，蠕動泵的轉(zhuǎn)速就隨之改變。電壓、電流、頻率的監(jiān)控顯示功能屬于無動作觸發(fā)一類，而且需要實時更新，為了簡化程序，我們把旋鈕觸發(fā)和無動作觸發(fā)放在同一個程序分支中。主程序流程如圖4所示。

圖3 程序運行界面

主程序是一個while循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一次循環(huán)都要監(jiān)測“正轉(zhuǎn)按鈕”、“反轉(zhuǎn)按鈕”和“停止按鈕”的值，并把這些值賦給一個一維數(shù)組，然后利用“搜索數(shù)組”函數(shù)獲取按鈕狀態(tài)變量，用這個變量去觸發(fā)條件結(jié)構(gòu)的分支。例如，當“正轉(zhuǎn)按鈕”被按下，“搜索數(shù)組”函數(shù)輸出的值就為0，程序就執(zhí)行值為0的條件分支，若無按鈕按下，“搜索數(shù)組”函數(shù)的值為－1。

3.2 程序結(jié)構(gòu)

支持模塊化編程是LabVIEW開發(fā)環(huán)境的一個優(yōu)點，模塊化使得程序更加合理，層次也更加分明。整個程序的VI結(jié)構(gòu)如圖5所示。

子程序“正轉(zhuǎn)指令”的程序框圖如圖6所示，需要說明的是，頭碼和尾碼并不存在于LabVIEW默認的ASCⅡ編碼表中，因此，在子程序中直接用十六進制字符串常量05h和06h作為輸入。其他命令字符只需要按照表1中所列協(xié)議格式編寫程序即可生成。

圖4 主程序流程圖

4 結(jié)語

本文分析總結(jié)了LS通信協(xié)議的規(guī)則和原理，在編程中采用了將LS協(xié)議字符串生成與串口操作分離的子程序結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以減少串口讀寫次數(shù)，使主程序的結(jié)構(gòu)更加靈活，調(diào)試也更方便。所構(gòu)建的蠕動泵控制程序，實現(xiàn)了對蠕動泵的遠程控制和監(jiān)控，穩(wěn)定性和實時性較好，已在某定量加料系統(tǒng)中投入了使用。

圖5 主程序VI結(jié)構(gòu)

圖6 正轉(zhuǎn)指令子VI

［1］ 張萬成.蠕動泵及其應(yīng)用［J］.化工自動化及儀表，1986（6）：69－71.

［2］ 劉顯軍.蠕動泵的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用［J］.流體機械，1998（12）：38－40.

［3］ 機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所.GB／T 19582.1—2008基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2008：1－48.