三菱變頻器與工控機的網絡通訊控制研究

趙丹，魚展，劉少剛，舒海生，張馳航

哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

三菱變頻器與工控機的網絡通訊控制研究

趙丹，魚展，劉少剛，舒海生，張馳航

哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

針對變頻器控制面板操作復雜，專業化要求較高且無法實現實時控制的問題，建立了基于RS485串行通信接口的三菱變頻器網絡控制系統。采用三菱變頻器專用通信協議實現工控機對變頻器的啟動、狀態監測以及對變頻器內部參數的讀寫。以速度控制為例，給出了基于RS485進行串行通訊控制的解決方案。實驗結果表明，該方案可以實現電機在工作過程中的平滑無極調速，調速精度小于 ±0．2%。

三菱變頻器；RS485；網絡控制；轉速控制；轉矩控制

隨著變頻調速技術的發展，變頻器在自動化生產以及工業試驗平臺中取得了廣泛的應用［1-3］。變頻器的控制面板，人工操作比較復雜，專業化要求高，并且在計算、數據處理和數據保存等諸多方面存在弱點［4-5］。另外，對一些需要頻繁啟停的試驗平臺，采用操作面板對變頻器進行參數設置或啟停操作非常不便，因此，為了簡化變頻器操作過程、降低人員的專業化程度以及實現對試驗平臺的全自動化操作，研究工控機與變頻器之間的通訊控制具有相當重要的意義。

目前，國內外大多數變頻器公司推出的變頻器都帶有RS485串行通訊接口，為用戶通過工控機控制變頻器提供了條件［6-10］。三菱FR-A740系列變頻器由其經濟、可靠的現場級網絡，已經在工業控制領域得到了廣泛的應用。因此，本文主要研究基于RS485串行通信接口的三菱變頻器網絡控制系統，采用三菱變頻器專用通信協議實現工控機對變頻器的啟動、狀態監測、控制模式變更以及對變頻器內部參數的讀寫。

1 控制系統結構

控制系統結構簡圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構

系統結構分為兩層，分別為監測控制層和執行層。工控機作為監測控制層，具備對系統的監測和控制功能。其一方面對變頻器進行控制，另一方面將現場信息（如：轉速轉矩傳感器的測量信號和變頻器的電壓、電流、輸出頻率以及報警等）傳達給工控機。而變頻器作為執行層，將工控機下達的指令執行，進而實現對電機的速度控制和轉矩控制。

2 硬件設計

根據系統要求選用三菱FR-A740高性能矢量變頻器，其在閉環時可進行高精度的轉矩、速度、位置控制并有強大的網絡通訊功能。硬件設備如圖2所示。

圖2 試驗設備硬件連接圖

本系統所用的三菱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根數據線，接收和發送分開進行），與工控機上的RS485接口相連，提高串口通信的傳輸距離和速度，保證信號傳輸的準確性。其結構原理圖如圖3所示。

圖3 工控機控制的變頻調速原理接線圖

3 軟件設計

3．1 控制及監測界面設計

根據事先設定的工控機與變頻器通訊軟件設計流程，系統的運行控制及狀態監測的LabVIEW界面如圖4所示。其主要包括串口設置、控制模式、參數寫入、運行狀態監測和運行參數監測。其中串口設置的波特率為19 200 bit／s，數據位為8位，采用偶校驗，停止位為1位；控制模式中網絡模式是用來切換變頻器從PU模式或外部模式到網絡模式，監測曲線用來監測電機的各個參數的運行曲線，當網絡模式切換完成后則可以實現實時的控制電機的正向、反向速度或者轉矩、自由停車和故障復位；參數寫入是將轉速、轉矩的指令代碼寫入變頻器，使其按照設定速度啟動；運行狀態監測主要是監測電機的運行和速度轉矩的顯示值；運行參數監測主要是監測電機運行時的電流、電壓、頻率以及電機就緒、運行、停機、故障和報警的狀態顯示。

圖4 試驗臺的運行控制及狀態監測界面

3．2 通訊協議

本實驗主要采用三菱變頻器協議，進行上位機與變頻器的通訊，通訊形式以ASCII碼（16進制）進行，其通訊步驟如圖5所示。

圖5 三菱變頻器專用協議與計算機通訊步驟

步驟A為計算機向變頻器發送要求數據；步驟B為通訊等待，根據數據位的長短決定；步驟C針對發送給計算機的數據要求，從變頻器返回數據；步驟D為等待變頻器處理時間；步驟E是變頻器反饋數據C，是輸送從計算機發送的反饋信息。

三菱變頻器的自身協議規范了RS485數據通訊的格式規范，數據從計算機向變頻器的所有數據都是以ASCII碼的形式發送，其發送通訊要求數據如表1所示。表1內數據的通訊格式均為16進制，數據在計算機和變頻器之間自動的使用ASCII碼進行傳輸。

表1 變頻器向計算機發送通訊要求數據格式

現在以計算機和變頻器的通訊常用格式為例，來說明變頻器和計算機之間的通訊，其格式如表2所示。表2中的求和校驗＝變頻器站號＋指令代碼＋等待時間＋數據。計算出求和校驗的結果，取低字節的內容，轉換為2位的16進制ASCII碼，其中等待時間為H30，CR／LF為H0D。

表2 變頻器向計算機發送通訊要求數據格式

3．3 變頻器通信參數設置

工控機與變頻器通訊，工控機一側不僅要設置相應的通訊參數，如通訊地址、波特率、數據位、停止位，變頻器一側也有一些參數需要設置，具體的設置參數如表3所示。

表3 變頻器通信參數的設置

4 變頻器與工控機通訊控制實例與驗證

三菱變頻器與工控機的通訊控制包括參數的寫入和讀取。參數寫入包括運行頻率、運行指令、參數、變頻器復位等。讀出參數類型包括監視參數和運行參數。下面以對變頻器寫入運行頻率和轉矩參數，直接實時改變電機的轉速及轉矩為例，來說明該通訊協的具體應用。根據現場控制精度需要，變頻器選用矢量控制模式［11-12］，并與帶有PLG的電機進行配合使用。

4．1 速度控制

速度控制是根據變頻器的改變電機的頻率來改變電機的速度，通過運行指令和頻率指令來控制電機的啟停。PLG此刻主要和變頻器構成一個速度閉環，使交流電機的控制精度得到很大提高。

4．1．1 速度控制的寫入

頻率與電機的速度為線性關系，電機的寫入速度為ni，電機的額定速度為nn，實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部寫入的時的頻率值，頻率的單位為0．01 Hz。

例如，設定電機的額定速度為 750 r／min（50．00 Hz時電機所對應的頻率），當設定電機的轉速為375 r／min，可以得到寫入的頻率。通過式（1）可得實際寫入的頻率為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轉換為16進制的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，無法啟動電機，還需要發送電機的啟動方式。運行指令的寫入為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，啟動指令的寫入格式如表5所示。當2條指令寫入后，電機將按照設定的速度正常啟動。

表4 速度控制頻率指令寫入

表5 速度控制啟動指令寫入

4．1．2 速度的讀取

速度的讀取也是通過讀取頻率來實現的，其頻率是變頻器通過監測當前的輸出電流電壓，根據自身的模擬算法推算出矢量控制時變頻器的輸出頻率。其中nr為電機的當前速度，frc為讀取變頻器的實際輸出頻率的十進制數，其轉換公式如式（2）所示。

例如，當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，轉換為10進制數是2500，則實際運行頻率為25．00 Hz，因此，帶入式（2）可得電機當前的運行速度為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 轉矩控制

轉矩控制是為了保證產生的電機轉矩與設定的轉矩指令值相匹配，當電機的輸出轉矩大于負載轉矩時，電機將會加速。因此，為了防止出現過速度，應該設定速度上限值，以避免電機的速度過度上升。

4．2．1 轉矩控制的寫入

由圖6分析知，轉矩的控制大小是根據電機額定轉矩的大小來調節的，變頻器可以輸出的最大轉矩為額定轉矩的－400%～400%，在參數Pr805的參數寫入過程中，是以 1 000%為轉矩的寫入零點，大于1 000%即為驅動轉矩，小于1 000%即為制動轉矩。而轉矩模式的寫入是根據運行指令標志位里面的MC端子置ON來控制的。輸入轉矩值為Ti，電機的額定轉矩為Tn，因此可得變頻器寫入的驅動轉矩為TD，其轉換如式（3）：

制動轉矩為TB，其轉換如式（4）：

設定變頻器的輸出驅動轉矩為電機額定轉矩的50%，即寫入的變頻器的數據為30 34 31 41，轉矩的寫入指令如表8所示，啟動指令寫入如表9所示。

圖6 Pr805（或Pr806）參數的設置

表8 轉矩指令寫入

表9 轉矩啟動指令寫入

4．2．2 轉矩的讀取

轉矩的讀取和轉矩的寫入模式不同，是將電機的額定轉矩設為100%，按照百分比進行讀取的，讀取值得單位為0．1%。轉矩的讀取通過兩步完成：首先，給狀態監視器命令HF3，轉矩讀取的數據為H07；然后，寫入讀取命令H72，即可讀取當前的轉矩值，Tr為電機當前轉矩值，Trc為讀取變頻器轉矩的十進制數，讀取的轉換如式（5）：

寫入狀態監視器代碼和轉矩讀取指令代碼如表10和表11所示，通過相應的計算即可得到電機當前運行的轉矩值。

表10 寫入狀態監視器

表11 轉矩讀取指令

4．3 速度控制實例驗證

在圖2所示的變頻器中分別對電機的容量、極數、工頻、額定電壓等電機參數進行設置，根據上位機的通訊界面配置變頻器的各項通訊參數，本次采用的是三菱變頻器自身的通訊協議。為了保證整個系統的通訊正常，還需要設定電機的上限頻率、下限頻率、加速時間和減速時間等相關參數。

上述參數設定后，切換變頻器為網絡通訊模式，即可通過上位機界面下發速度控制指令，進而實現變頻器對電機轉速的實時控制，同時上位機對變頻器和電機的運行狀態進行監測。另外，為測量電機的實際轉速，在實驗前，將測速傳感器安裝在電機輸出軸端。實驗現場的測量數據如表12所示。表12中設定轉速為上位機發送的速度指令，輸出頻率為頻率讀取指令的返回值，測量轉速為測速傳感器的測量值。

表12 變頻器通信參數的設置

據表12數據分析可知：測量轉速與設定轉速的最大誤差為0．12%，表明矢量控制模式下，變頻器能夠實現對電機速度的精確控制。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轉速對應；電機在實驗過程中，由于未加負載，故軸端輸出扭矩在100～700 r／min速度下的值變化不大。

5 結束語

本文通過RS485串行通信接口和三菱變頻器專用通信協議，來實現工控機與三菱變頻器的通訊。基于LabVIEW建立了良好的人機交互界面，通過上位機界面更改變頻器的控制模式，監測變頻器的運行狀態，設置變頻器的參數，進而實現變頻器對電機的遠程控制。工業現場實驗及測試表明，矢量控制模式下，變頻器能夠對電機實現一定范圍內的精確控制，滿足一般控制系統的要求。

［1］牛一川，孫東．三電平逆變器的無速度傳感器矢量控制系統［J］．應用科技，2012，39（1）：16-20．

［2］龍三平，劉偉，游江．永磁同步電動機變頻調速系統［J］．應用科技，2006，33（8）：28-29．

［3］XUE Fei，LI Mengru．Research and design of control energy recovery system for lifting mechanism based on LabVIEW［C］／／Proceedings of 2010 International Conference on Cir-cuit and Signal Processing．Shanghai，China，2010：695-697．

［4］張洛平，陳遠方，賀紅霞．VC＋＋下的變頻器與工控機通訊程序的開發［J］．機械與電子，2011（6）：51-53．

［5］高銳，姜波．基于USS協議的WinCC與S7-200變頻器網絡通訊研究［J］．工業控制計算機，2009，22（5）：3-4．

［6］鄭德華，陶繼偉．RS-485通訊協議在集散控制系統中的應用［J］．中國儀器儀表，2009（9）：93-95．

［7］彭萬歡，徐剛．基于LabVIEW的富士變頻器與工控機的RS485通信［J］．機電工程技術，2010，39（2）：21-23．

［8］申建廣，陶濤，梅雪松，等．基于RS-485的單片機與三菱變頻器通訊的多電機控制研究［J］．機床與液壓，2012，40（9）：5-7．

［9］高澤東，李建軍，高教波．基于RTX的實時伺服控制系統［J］．計算機應用，2011，31（S2）：212-215．

［10］宮厚良，陳曾漢．基于RTX和LabVIEW的多任務實時測控系統［J］．計算機應用，2007，31（6）：1551-1552．

［11］陳志強．基于DSP的矢量控制牽引變頻器的研究［D］．南京：東南大學，2010：1-8．

［12］于會軍，劉曉艷．包裝行業中的變頻器矢量控制［J］．湖南大學學報，2002，29（3）：106-109．

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．

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（HEUCF120704）．

趙丹（1978-），女，講師，工學博士；

魚展（1989-），男，碩士研究生．

趙丹，E-mail：zhaodan＠hrbeu．edu．cn．