变频器与上位机串行通讯程序设计Word文件下载.docx

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1变频器和力控组态软件

1.1变频器的概述

1.1.1变频器的工作原理和发展

变频器的英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。

（但VFD也可解释为Vacuumfluorescentdisplay，真空荧光管，故这种译法并不常用）。

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。

变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）[1]。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。

由于换向器的存，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。

但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。

于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。

在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。

20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。

目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

1.2TD2000变频器

1.2.1TD2000变频器的安装和使用

TD2000系列通用变频器是艾默生网络能源有限公司自主开发生产的高品质多功能低噪音变频器[2]，其丰富的功能完全满足各种不同的需求紧凑的结构设计，可以灵活的安装先进的控制算法空间电压矢量控制技术，停电再启动自动电压调整[2]，死区补偿自动转差补偿节能运行内置PI，保证高精度的控制要求按照国际标准进行设计和测试保证产品的可靠性。

外部接口如图1和图2所示。

图1变频器外部接口1

图2变频器外部接口2

变频器的安装，请安装在室内通风良好的场所，一般应垂直安装，选择安装环境时应注意以下事项：

环境温度要求在-10~40的范围内如周围，温度为40~50时要取下盖板或打开安装柜前门以利于通风散热，安装在湿度低于90%无水珠凝结的场所，不要安装在多尘埃金属粉末的场所，4安装在无腐蚀性爆炸性气体场所，安装在振动小于5.9米/秒2（0.6g）的场所，安装在无阳光直射的场所，外部接线图如图3所示。

图3外部接线图

关于电动机及机械负载，与工频运行比较，TD2000系列变频器为电压型变频器，输出电压是PWM波，有一定的畸波，因此使用时电机的温升噪声和振动略有增加。

恒转矩低速运行，变频器带普通电机长期低速运行时，由于散热效果变差，输出转矩额度有必要降低，如果需低速恒转矩长期运行，必须选用特殊的变频电机。

电机的电子热保护值，与变频器匹配的电机如果按要求选配，变频器对电机能实施热保护，如果匹配电机与变频器额定值不符合，务必调整保护值，以保证电机的安全运行。

在50Hz以上频率运行，超过50Hz运行除了考虑振动噪音增大外，还必须确保电机轴承及机械装置的使用速度范围，务必事先查询。

机械装置的润滑，减速箱及齿轮电动机等需要润滑的机械装置长期低速运行时，由于润滑效果变差可能带来损坏，务必事先查询。

负转矩负载，对于如提升负载之类的场合常常会有负转矩发生，变频器常会产生过流或过压故障而跳闸，此时应该考虑选配制动组件。

往复式负载，变频器在驱动活塞式往复性负载时请注意输出电流会有不稳定现象，长期低频运行时情况更突出推荐20Hz以上频率运行，负载装置的机械共振点，变频器在一定的输出频率范围内可能会遇到负载装置的机械共振点，必须通过设置跳跃频率来避开。

维护和检查时的注意事项有：

（1）在关掉输入电源后，至少等5分钟才可以开始检查（还要正式充电发光二极管已经熄灭）否则会引起触电。

（2）维修、检查和部件更换必须由胜任人员进行。

（开始工作前，取下所有金属物品（手表、手镯等），使用带绝缘保护的工具）。

　　（3）不要擅自改装频频器，否则易引起触电和损坏产品。

　　（4）变频器维修之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机（炸电容、压敏电阻、模块等）。

　　变频器主要由半导体元件构成，因此，必须进行日常的检查，防止不利的工作环境，如温度、湿度、粉尘和振动的影响，并防止因部件使用寿命所引起的其它故障。

操作面板及操作方法：

操作面板说明[3]。

用操作面板，可对变频器进行运转，功能参数设定，状态监控等操作。

其外形及功能区如图4所示。

图4操作面板说明

1.2.2变频器的主要参数和上位机监控

（1）变频器的主要参数。

F00运行频率设定方式选择。

0：

数字设定1，F01设定，用控制键修改后在Poff时存储。

1：

数字设定2，用端子UP/DOWN修改，STOP后为零频。

2：

模拟设定1，（VCI-GND）用模拟电压端子设定，范围：

DC，0-10V。

3：

模拟设定2（CCI-GND），用模拟电流/电压端子输入设定，范围：

DC，010V/0-20mA短路块确定。

4：

模拟设定3（VCI、CCI-GND），用VCI和CCI输入叠加设定，范围：

DC0-10V/0-20mA。

5：

串行通讯设定。

6：

数字设定3，F01设定用控制面板修改后在Poff时不存储。

7：

数字设定4，用端子UP/DOWN修改，STOP后再运行，保持STOP前的设定频率。

F01频率数字设定。

频率下限F12—频率上限F11。

注：

在F00=0、5、6时有效。

F02运行命令选择。

触摸面板运行控制有效。

外部端子运行控制有效。

上位机串行通信控制有效。

由PANEL键切换确定。

F03面板RUN/JOG运转方向设定。

正转，1：

反转。

F04最大输出频率。

MAX{50.00，上限频率}-400.0Hz。

F05基本运行频率。

1.00-400.0Hz。

（2）变频器上位机监控设置。

变频器的上位通信控制指的是用上位机工控机、业PLC机、触摸屏与变频器链接，进行传送变频器开机、关机、设定频率、读取参数等动作的命令代码。

遵守通信协议。

TD-2000系列变频器可传送数据为：

1位起始位、8为数据位、1位停止位、无/奇/偶校验，1200/2400/4800/9600/19200BPS。

数据的包头：

7EH=“126”，数据包尾：

0DH。

本机地址：

0~7FH（127）。

命令/响应吗：

16进制，单字节，包括主命令/响应码和辅助命令/响应码。

功能分类：

0反馈从机准备及控制使能状态。

1读取从机运行状态。

2控制从机运行状态。

3读取从机功能代码参数。

4设置从机功能码参数。

5系统设置与查询命令。

6~F预留。

响应：

10H没准备好，请求主机重发命令。

11H准备好，允许控制，允许设置频率。

12H准备好，允许控制，不允许设置频率。

13H准备好，不允许控制，允许设置频率。

14H准备好，不允许控制，不允许设置频率。

00H从机/串行口通信/从机控制正常/功能码参数更改有效。

20H接收数据校验错误码/接收字节非ASC11码/帧长度错误/命令区数据超限/命令索引区数据超限。

30H从机控制无效/功能代码参数更改无效/运行数据区数据超限

华为变频器的发送格式为：

辅助命令代码（高四位）和主命令代码（低四位）拆开并转换为ASC11码，先高四位后第四位发送。

命令索引：

16进制，双字节，含命令索引（低字节）和辅助索引（高字节），范围1-FFH

命令索引用于配合主命令码实现具体功能

辅助索引用于配合从机响应上报故障索引码，无故障为0

运行数据：

16进制，先发送高节，后发送低节。

变频器内部的基本构：

变频器内置PID调节器和输出24VDC电源，方便组成最简单的内部闭环控制系统，带自动电压提升功能，能在交流304-456V电压范围内正常工作。

并且内含简易PLC，配合内置计数器。

外接端子可编程设计，利于用户灵活运用。

并且带有速度脉冲反馈输入接口，可以满足高端精度速度控制的要求。

频率设定信号与输入频率对应关系的灵活设置，可以与通用变频器和调节器组成正，反两种闭环系统。

1.3力控组态软件

组态软件在国内是一个约定俗成的概念[3]，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。

“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。

它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。

“监控（SupervisoryControl）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理[4]。

常用的有力控和WINCC。

力控软件以计算机为基本工具，为实施数据采集/过程监控/生产控制提供了基础平台，可以和检测/控制部件构成任意复杂的应用系统。

在节能、提高计量精度、改善产品质量、完成部门间精确传递生产信息等方面发挥核心作用，帮助企业消除信息孤岛，降低运作成本，提高生产效率，加快市场反应速度。

只要同时涉及实时数据通讯（无论是双向还是单向）、实时动态图形界面显示、必要的数据处理、历史数据存储及显示，就存在对组态软件的潜在需求。

　　除了大家熟知的工业自动化领域，近几年以下领域已经成为监控组态软件的新增长点：

先进控制或优化控制系统。

在工业自动化系统获得普及以后，为提高控制质量和控制精度，很多用户开始引进先进控制或优化控制系统。

这些系统包括自适应控制、（多变量）预估控制、无模型控制器、鲁棒控制、智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络等）、其他依据新控制理论而编写的控制软件等。

这些控制软件的常项是控制算法，使用监控组态软件主要解决控制软件的人机界面、与控制设备的实时数据通讯等问题。

工业仿真系统。

仿真软件为用户操作模拟对象提供了与实物几乎相同的环境。

仿真软件不但节省了巨大的培训成本开销，还提供了实物系统所不具备的智能特性。

仿真系统的开发商专长于仿真模块的算法，在实时动态图形显示、实时数据通讯方面不一定有优势，力控监控组态软件与仿真软件间通过高速数据接口联为一体，在教学、科研仿真应用中应用越来越广泛。

电网系统信息化建设。

电力自动化是监控组态软件的一个重要应用领域，电力是国家的基础行业，其信息化建设是多层次的，由此决定了对组态软件的多层次需求。

方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、大大降低了组态开发的工作量。

高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒。

强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能。

支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏。

强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性。

全新的、灵活的报表设计工具：

提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：

脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板。

力控的界面如图5所示。

图5力控组态软件主界面

2利用力控组态软件实现变频器上位机监控

2.1I/O设备组态和数据库组态

2.1.1I/0设备组态

I/O设备组态是连接外部设备的关键部分。

I/O驱动程序负责力控与控制设备的通信。

它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控®

的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。

首先，打开力控组态软件，选择“开发”。

然后就进入了开发界面，第一步要做的是设备I/O组态。

在所有的设备里，选择变频器，艾默生—TD2000，如图6所示。

图6设备I/O组态

然后双击“TD2000变频器”，进行通信设置[5]。

通信设置是连接变频器和上位机的纽带，如果设置不好，就无法完成变频器上位机串行通讯。

第一步：

输入设备名称TD2000

输入设备名称变频器

设置更新周期50MS

超时时间8S

设备地址127

通信方式串口（RS232/422/485）

故障后恢复查询300S

上述详细参数可在化为TD2000变频器使用手册里查到

如图7所示。

图7设备设置第一步

串口叫做串行接口，也称串行通信接口，按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等。

RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。

串口形容一下就是一条车道，而并口就是有8个车道同一时刻能传送8位（一个字节）数据。

但是并不比串口快，由于8位通道之间的互相干扰。

传输时速度就受到了限制。

而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。

串口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了。

第二步：

设置串口COM1

波特率9600

奇偶校验无

数据位8

停止位1

连续采集3次后重新初始化串口

详细如图8所示。

图8设备设置第二步

2.1.2数据库组态

I/O设备组态完毕，最关键的是数据库组态，数据库DB是整个应用系统的核心，构建分布式应用系统的基础。

它负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理。

在数据库中，操纵的对象是点（TAG），实时数据库根据点名字典决定数据库的结构，分配数据库的存储空间。

在点名字典中，每个点都包含若干参数。

一个点可以包含一些系统预定义的标准点参数，还可包含若干个用户自定义参数。

用点与参数的形式为“点名.参数名”。

如“TAG1.DESC”表示点TAG1的点描述，“TAG1.PV”表示点TAG1的过程值。

点类型是实时数据库DB对具有相同特征的一类点的抽象。

DB预定义了一些标准点类型，利用这些标准点类型创建的点能够满足各种常规的需要。

对于较为特殊的应用，可以创建用户自定义点类型。

DB提供的标准点类型有：

模拟I/O点、数字I/O点、累计点、控制点、运算点等[6]。

不同的点类型完成的功能不同。

比如，模拟I/O点的输入和输出量为模拟量，可完成输入信号量程变换、小信号切除、报警检查，输出限值等功能。

数字I/O点输入值为离散量，可对输入信号进行状态检查。

以方向设定为例，创建数据库点的步骤：

■在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中双击“数据库组态”启动组态程序DBMANAGER（如果没有看到导航器窗口，激活Draw菜单命令“查看/导航器”）。

　　■启动DBMANAGER后出现如下图9所示的DBMANAGER主窗口。

■单击菜单条的“点”选项选择新建或双击单元格，出现“请指定区域、点类型”向导对话框。

图9DBMANAGER主窗口

■然后双击该点类型，出现如下图所示的对话框，在“点名（NAME）”输入框内键入点名“fangxiangshed”，如下图10所示。

■然后选择“数据连接”选项。

选择“增加”选项，选择正确的数据连接如图11所示。

■最后单击“确定”，就会回到如图9所示的DBMANAGER主窗口，然后单击“保存”即可。

■按照同样的方法，可以进行“频率设定”、“加速时间”、“减速时间”、“故障复位”、“停车等设定”。

图10点名（NAME）输入

图11数据链接

2.2制作动画连接

在前面已经做了很多事情，包括：

制作显示画面、创建数据库点，并与I/O设备PLC中的过程数据连接起来。

现在又要回到开发环境Draw中，通过制作动画连接使图形在画面上随PLC数据的变化而活动起来[7]。

（1）首行涉及一个概念，“Draw变量”：

Draw变量就是在开发环境Draw中定义和引用的变量，简称为变量。

开发环境Draw、运行环境View和数据库DB都是力控的基本组成部分。

但Draw和View主要完成的是人机界面的开发、组态和运行、显示，我们称之为界面系统。

实时数据库DB主要完成过程实时数据的采集（通过I/OServer程序）、实时数据的处理（包括：

报警处理、统计处理等）、历史数据处理等。

界面系统与数据库系统可以配合使用，也可以单独使用。

比如：

界面系统完全可以不使用数据库系统的数据，而通过ActiveX或其它接口从第三方应用程序中获取数据；

数据库系统也完全可以不用界面系统来显示画面，它可以通过自身提供的DBCOM控件与其它应用程序或其它厂商的界面程序通讯。

力控系统之所以设计成这种结构，主要是为了使系统具有更好的开放性和灵活性。

（2）建立动画连接

　　动画连接是将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系，当变量的值发生变化时，在画面上图形对象的动画效果动态变化方式体现出来。

有了变量之后就可以制作动画连接了。

一旦创建了一个图形对象，给它加上动画连接就相当于赋予它“生命”，使它动起来。

　　动画连接使对象按照变量的值改变其大小、颜色、位置等。

例如，一个泵在工作时是红色，而停止工作时变成绿色。

有些动画连接还允许使用逻辑表达式，如：

OUT_VALVE==1&

&

RUN==1表示：

OUT_VALVE与RUN这两个变量的值同时为1时条件成立。

又比如，如果希望一个对象在存储罐的液面高于80开始闪烁，这个对象的闪烁的表达式就为“LEVEL>

80”.

　　定义变量和制作动画连接这两件工作可以相互独立在完成。

例如，使用“特殊功能/定义变量”，可以直接进入定义变量的环境。

　　下面以所建的工程为例说明建立动画连接的步骤：

以开机设置和频率设置为例。

开机设置：

首先，在图库中选择合适的开关，如图12所示。

图12开机设置

图13开机向导

然后在主窗口中，双击自己所选择的开关，如图13所示，定义颜色等等，最关键的是定义变量，双击变量，会出现变量选择的对话框，在变量选择的对话框中选择”kaijished”,然后单击确定，如图14所示。

图14变量选择

最后单击图13中的确定即可。

频率设定：

在工具栏中选择“A”如图15所示。

图15工具栏

然后在主窗口找到合适的空白处，输入“####”和“设定频率”。

如图16所示。

图16设定频率

然后双击图16中的“####”，进行数据链接，如图17所示。

图17动画链接

然后可以进行热键设置，关键是变量的选择，双击变量选择，选择正确的变量。

将各种数据建立和链接以后，主窗口将会出现如图18所示的界面。

图18设置完成后主窗口

2.3上位机监控的运行

（1）首先，将外部设备链接好，如图19所示。

把变频器上位机监控的参数设置好。

F00设定为5

F02设定为2

F101设定为4

（2）然后打开上面建立的变频器上位机监控的工程，单击“运行”。

将会出现图20所示的控制界面，可以通过控制界面对变频器启停、频率设置等进行上位机监控。

注意：

操作的时候一定不能过快，因为电机启动停止是需要时间，如果操作过快，会对电机损害，而且监控也会出错立马停止。

图19外部链接实物图

图20运行时主界面

3编写程序完成上位机监控

艾默生变频器与PC机通讯前必须在变频器的初始化中设定通讯规格并复位变频器，否则通讯不能进行。

需要设定的通讯规格包括变频器站号、通讯速率、字节长、停止位长、校验方式、等待时间等。

通讯规格的设定可通过写入相应的参数来实现[8]。

用VB中的Mscomm控件完成对计算机串行端口的操作。

Mscomm控件是VB中用于串口发送和接收数据的ActiveX控件，利用它可以方便地访问串口。

Mscomm控件有许多重要的属性，表1中列出了本文编程时用到的几个属性。

表1MsComm控件的常用属性

属性

描述

Commport

设置并返回通讯端口号

Settings

设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位

Portopen

打开或关闭串口

Input

从接收缓冲区读取并删除字符

Output

向输出缓冲区写一个字符串

3.1系统的硬件连接

TD2000是EMERSON公司推出的高性能矢量控制变频器，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行，它带有内置的标准RS485通讯口，通过转换器可方便地与上位机进行串行通讯，实现上位机对变频器功能码的快速修改及运行状态的直观监控，并实现组网监控运行。