王福仁

（酒泉職業(yè)技術學院機電工程學院，甘肅 酒泉 735000）

在工業(yè)生產(chǎn)中，設備的旋轉運動主要靠三相異步電機驅(qū)動，但大多數(shù)電機的正反轉運動及調(diào)速由變頻器控制實現(xiàn)，為了實現(xiàn)控制過程的自動化，多采用PLC 外接控制方式或485 通信方式來控制變頻器，進而實現(xiàn)對電機速度及運動過程的自動控制，此種方式編程繁瑣，對大多數(shù)電氣工程人員而言有較大難度[1]。針對以上情況，為了降低工程人員對變頻器系統(tǒng)的開發(fā)和使用難度，本文借助電腦采用MCGS 軟件與三菱FR-D700 變頻器直接進行485 通信的方式進行試驗與研究，相對于變頻器的傳統(tǒng)控制方式，探索編程難度降低、經(jīng)濟成本節(jié)約、工作效率大幅提升的新型控制方式。

1 變頻器常見的控制方式

變頻器目前作為工業(yè)中主流的電機控制與調(diào)速設備，其控制方式主要有面板操作、外接控制、網(wǎng)絡通信三種[2]。面板操作也稱為PU 模式，多用于變頻器帶載測試、參數(shù)設置、狀態(tài)監(jiān)視等；外接控制多與接觸器系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)連接，經(jīng)常用于變頻器單機運行，且存在接線復雜等特點，多用于控制過程較為簡單的工程環(huán)境；網(wǎng)絡通信相比于以上兩種方式，最大的優(yōu)點在于簡化了硬件接線，控制系統(tǒng)對變頻器的控制變?yōu)閿?shù)字控制，另外，在大型系統(tǒng)中，網(wǎng)絡通信可實現(xiàn)對多臺變頻器的遠程監(jiān)控[3]。

不論何種控制方式，都需要確定兩個問題，一是頻率如何給定，二是以何種方式啟動。本文所采用的變頻器為三菱FR-D700 變頻器，面板模式下可以通過旋轉旋鈕給定頻率，按下RUN 鍵啟動。外接模式下主要通過外接滑動變阻器至變頻器模擬量輸入端來調(diào)節(jié)頻率，通過在變頻器正轉和反轉端子上外接開關控制變頻器的啟停。網(wǎng)絡通信模式主要通過特定的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，來進行對變頻器頻率和啟動的控制[4]。

1.1 面板操作模式

面板操作模式主要用于設定變頻器在各個模式下所需的特定參數(shù)，也可用于調(diào)試電機，通過面板給定頻率，完成對電機啟動、停止的控制，此種模式的優(yōu)點是操作簡單、接線方便，但該種模式不適用于設備長期運行下的變頻調(diào)速控制[5]。

1.2 外部控制模式

外部控制模式是變頻器控制模式中較為常用的一種，可以在變頻器控制端外接控制按鈕、開關、傳感器、接觸器電路等，實現(xiàn)對系統(tǒng)長期運行的自動控制。比較常見的控制方式有變頻器正反轉控制、電機多段速調(diào)速、變頻器同步運行控制、PID 調(diào)節(jié)等。以上控制方式在實際使用過程中，存在硬件接線復雜、后期維護困難等問題[6]。

1.3 網(wǎng)絡通信模式

網(wǎng)絡通信模式為使用變頻器本體上的PU 連接器（RS-485 通信）及通信選件，通過通信電纜與計算機、可編程控制器、觸摸屏連接，通過網(wǎng)絡向變頻器發(fā)送和傳輸控制命令[7]，通過RS-485 接口及一些網(wǎng)絡協(xié)議對變頻器進行遠程控制。這樣在一些不適合人工進行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易地實現(xiàn)控制目標。與普通的點對點硬件連接方式相比，通過通信模式連接的變頻器系統(tǒng)可以在較大程度上降低系統(tǒng)維護時長、提高生產(chǎn)效率、減少運行成本。

通過對幾種控制方式進行對比，本次任務實施過程中采用網(wǎng)絡通信模式。

2 系統(tǒng)控制要求

為了構建觸摸屏畫面、硬件接線等，需要觸摸屏實現(xiàn)以下功能：

1）設定變頻器的運行頻率；

2）可對變頻器進行正轉、反轉的控制，并能夠隨時停止系統(tǒng)；

3）可讀取并顯示變頻器的實時頻率、電流、電壓、狀態(tài)等參數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計主要實現(xiàn)485 轉接器對變頻器與PC 的網(wǎng)絡連接，完成系統(tǒng)的硬件搭建。

3.1 FR-D700變頻器通信端口

FR-D700 變頻器采用了PU 接口，可以通過電腦等進行通信運行。用戶可以使用通信電纜連接PU 接口與個人電腦，通過客戶端程序?qū)ψ冾l器進行運行監(jiān)視以及參數(shù)讀寫[8]。

3.1.1 PU接口

FR-D700 變頻器PU接口如圖1所示。

圖1 FR-D700變頻器PU接口外觀

3.1.2 PU接口插針排列

FR-D700 變頻器PU 接口與通用網(wǎng)口非常相似，普通網(wǎng)線接頭可以直接插入，其插針共有8 根，在進行485通信時，其具體功能如表1所示。

表1 FR-D700變頻器PU插針具體功能

3.2 ZK-U485轉換器

因目前大多數(shù)辦公電腦沒有232 或485 通信接口，而USB 接口較為豐富，因此需要通過485 轉USB的通信線將變頻器與電腦進行連接，其中，USB 口連接電腦，485 端口連接變頻器，本文采用的轉換器為ZK-U485。

ZK-U485采用CH340芯片，外觀如圖2所示，主要用于計算機、工控機等與工業(yè)設備的485通信。該款轉換器兼容多種操作系統(tǒng)，支持熱插拔，最高傳輸距離可達1 200 m。ZK-U485硬件詳細參數(shù)如表2所示。

表2 ZK-U485轉換器硬件參數(shù)

圖2 ZK-U485外觀

通過外觀可以觀察到ZK-U485 共有5 個外接端子，其詳細功能如表3所示。

表3 ZK-U485端子功能

3.3 硬件接線

要實現(xiàn)通過MCGS 控制變頻器的功能，必須對變頻器與個人計算機進行硬件連接。將ZK-U485 的USB 端口連接至個人計算機USB 接口，將ZK-U485的1～5 號端子通過網(wǎng)線與變頻器連接，硬件接線情況如圖3所示。因485通信為半雙工通信，變頻器的3號端與5 號端分別為變頻器的接收A 端和發(fā)送A 端，將3號端和5號端串聯(lián)后接至轉換器的A端，同理，將變頻器的4號端和6號端串聯(lián)后接至轉換器的B端。

圖3 硬件接線圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 變頻器參數(shù)設置

FR-D700 變頻器與觸摸屏軟件進行485 通信時，除了完成硬件接線外，還要根據(jù)變頻器的工作模式及應用環(huán)境選擇合適的參數(shù)，這樣才能對變頻器進行實時控制[9]。變頻器需選用通信模式，因此將模式選擇參數(shù)79 置為0；在通信過程中設定波特率為9 600 bps，采用的校驗方式為偶校驗，選用的通信協(xié)議為三菱變頻器專用協(xié)議。具體的參數(shù)設置及功能如表4所示。

表4 FR-D700變頻器參數(shù)設置

4.2 ZK-U485轉換器參數(shù)設置

ZK-U485 轉換器在使用前必須要安裝驅(qū)動，安裝完成后，在電腦設備管理器端口中找到CH340 端口，即COM3 端口（端口號與所插USB 接口有直接關系），如圖4 所示。雙擊COM3，設置參數(shù)，所設置參數(shù)與變頻器通信參數(shù)一致。

圖4 ZK-U485轉換器參數(shù)設置

4.3 Modbus寄存器

因本次通信為Modbus485 通信，故需要對變頻器所用到的寄存器變量進行選擇；同時，對變頻器狀態(tài)能夠控制和檢測的寄存器變量——變頻器狀態(tài)/控制輸入命令進行分析和說明。

4.3.1系統(tǒng)環(huán)境變量

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選取了如表5 所示的環(huán)境變量，以下變量均為16 位無符號的字，除變頻器復位和參數(shù)全部清除只能寫入外，其余變量均可進行讀取和寫入的操作。

表5 系統(tǒng)環(huán)境變量

4.3.2變頻器狀態(tài)/控制輸入命令

要對變頻器進行控制，必須了解變頻器狀態(tài)/控制輸入命令對應的變量（40009），該變量有16 位長度，除缺省位外每一位都有兩種功能，可以作為控制命令對其寫入，也可以作為狀態(tài)對其讀取，即一字雙用，具體如表6 所示。在本系統(tǒng)設計中，主要使用0、1、2、15 位，對其進行控制和讀取。例如，若要實現(xiàn)正轉指令，則在正轉按鈕控件的腳本程序中寫入腳本“控制輸入指令=2”；若要反轉，則可以在按鈕控件的腳本程序中寫入“控制輸入指令=4”。對系統(tǒng)變量如電壓、電流等的監(jiān)視只需讀取即可。

表6 變頻器狀態(tài)/控制輸入命令

4.4 MCGS控制實現(xiàn)

4.4.1畫面構建

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，MCGS 畫面需具備控制變頻器正轉、反轉、停止的功能，因此設計3 個控制按鈕；同時還需設定變頻器頻率，通過設計頻率輸入框輸入數(shù)值，可使變頻器處在對應頻率運行。除對變頻器進行給定頻率和正轉、反轉、停止的控制外，還需對變頻器的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，本界面對變頻器的運行頻率、輸出電壓、輸出電流等信息也進行了實時采集，還可通過讀取變頻器狀態(tài)的值，來反饋變頻器運行情況。構建完成后的畫面如圖5所示。

圖5 MCGS畫面

4.4.2變量連接

根據(jù)組態(tài)畫面所需的構件及功能，在實時數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對象，如圖6 所示。將創(chuàng)建的對象與畫面中的構件進行關聯(lián)，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫對象創(chuàng)建

圖7 系統(tǒng)變量連接

4.4.3設備組態(tài)

進入MCGS 設備窗口，在通用串口父設備下新增——莫迪康ModbusRTU，根據(jù)通信參數(shù)要求，對父設備屬性進行設置，如圖8 所示[10]。在子設備窗口中將系統(tǒng)變量與數(shù)據(jù)庫對象關聯(lián)到一起，如圖9所示。

圖8 設備窗口屬性設置

圖9 系統(tǒng)變量與數(shù)據(jù)庫對象關聯(lián)

4.4.4系統(tǒng)調(diào)試

對設計好的組態(tài)畫面進行組態(tài)檢查，按F5 鍵進入畫面下載界面，默認為模擬運行，如圖10所示。

圖10 軟件下載界面

點擊啟動運行后，設定運行頻率為50 Hz，運行模式為正轉模式，可采集到變頻器實時運行的輸出電壓、電流和頻率，如圖11所示。

圖11 變頻器運行狀態(tài)實時采集

5 結語

本項目在485 通信的基礎上，通過方案選擇、硬件設計及MCGS 組態(tài)畫面構建，成功實現(xiàn)了MCGS軟件對變頻器的正轉、反轉、停止控制，并采集到了變頻器的實時頻率、電壓、電流、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，整體設計穩(wěn)定可行，省去了PLC 的控制環(huán)節(jié)，極大地降低了編程難度，節(jié)省了經(jīng)濟成本。