柔性排纜絞車檢測系統設計

Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢華林　祁圣民　張　鵬

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江　212003)

柔性排纜絞車檢測系統設計

Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢華林祁圣民張鵬

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江212003)

摘要：為了確保柔性排纜絞車能夠正常工作，在LabVIEW平臺上開發了纜車自動檢測系統。系統利用LabVIEW中的VISA技術，解決了上位機與SEW變頻器的串口通信問題，并通過LabVIEW前面板實時讀取變頻器與電機的工作狀態。實驗表明,該檢測系統具有開發周期短、可靠性高、實現簡單方便、維護便捷的特點，為后續柔性排纜絞車的精確控制提供了很好的技術支持。

關鍵詞：虛擬儀器纜車監視變頻器柔性排纜通信

Abstract：In order to ensure the normal operation of flexible cabling winch, the automatic detection system has been developed for cable car on LabVIEW platform. The VISA technology in LabVIEW is adoped to realize the serial communication between host computer and SEW inverter. The operation status of the inverter and motor can be read in real time via LabVIEW front panel. The tests indicate that the detection system features short develping cycle, high reliability, ease to operation and maintenance. It provides well technonical support subsequently for previse control of flexible cabling winches.

Keywords：Virtual instrumentCable car monitoringInverterCabling winchCommunication

0引言

柔性排纜絞車需要完成纜繩的回收和釋放工作，隨著纜繩直徑的變化，纜車的轉速也要發生相應的變化。為實現柔性排纜絞車的精確控制，須要準確實時地采集到纜車的運轉參數。對于柔性排纜絞車，采用變頻器來實現電機的速度調節已經成為一種很有效的控制方式。采用變頻器與上位機通信來實現電機作業狀況的監測，通信通常都是通過串口通信來實現。目前串口通信的界面開發大部分是通過在Windows操作系統下利用VC++、VB、Delphi等軟件進行編程。采用這些軟件編寫通信程序時，編程人員需要編寫繁瑣的API程序，且這些軟件中都沒有專業的通信模塊，實現繁瑣。針對以上面臨的要求與不足，利用LabVIEW中的VISA技術實現變頻器與上位機的通信以及實時數據采集。

1柔性排纜絞車工作原理

由于不同的拖曳設備使用的纜繩直徑不同，這要求絞車的自動排纜機構能夠適應多種不同直徑的纜繩；在進行纜繩排纜時，要確保纜繩整齊密實地纏繞在絞車的卷筒上。這要求柔性排纜機構能夠有效地保證排纜機構的橫向運動和絞車卷筒的旋轉運動同步發生相應的變化。柔性排纜絞車結構示意圖如圖1所示。

圖1　電控式柔性排纜機構

在排纜作業過程中，當纜繩直徑發生變化時，傳感器將信號傳給電機2對應的變頻器，變頻器控制電機2使得排纜導頭的橫向運動速度發生相應的變化。為了保證纜繩在絞車卷筒上排列整齊有序，卷筒的轉速也要發生相應的變化，這主要由電機10對應的變頻器來控制。

使用這種控制方式的優點主要有：

① 可以使用單向絲杠。機械式排纜在纜繩排纜換向時要采用雙向絲杠，雙向絲杠的加工成本高，且使用壽命較短。

② 增加了排纜的柔性。機械式排纜在纜繩直徑發生變化后，需要改變機械結構來改變傳動比，進而實現電機轉速的改變。所以機械式排纜不能實現無級調速，而電控式排纜可以通過程序很容易實現無級調速的功能。

從柔性排纜的工作原理可以看出，要達到柔性排纜的目的，就要對兩個電機的速度進行精確的控制。為了對三相交流異步電機進行控制，就要能夠精確地讀出電機與對應的變頻器的工作參數。

2SEW變頻器與上位機通信硬件配置

2.1　SEW變頻器與上位機接口配置

MDX61B0110系列SEW變頻器的通信接口為RS- 485串口。上位機PC的通信串口為RS-232，所以在上位機與SEW變頻器通信時需要使用RS-232/RS- 485轉化模塊。SEW變頻器上有ST11與ST12兩個端口，分別對應RS- 485+與RS- 485-。利用雙絞線將ST11與ST12分別連接至RS-232/RS- 485轉換模塊中的RS+與RS-，轉化模塊需要另外連接獨立的開關電源，以提供穩定的24 V電壓。轉換之后通過RS-232接口連接上位機PC。通信接口連接簡圖如圖2所示。

圖2　變頻器通信接口簡圖

由于上位機PC中只有一個串口，所以不可能為每個變頻器分配一個單獨的串口，故變頻器之間的通信連接顯得格外重要。通過屏蔽線連接各個變頻器上的ST11與ST12端口，連接方式如圖3所示。此種連接方式最多可以連接32個SEW變頻器，或者連接31個變頻器再加上一個主控系統。利用RS- 485連接在一起的變頻器之間不能有任何電位差。為了避免發生有電位差的情況，需要采取適當的措施，常用的方法是使用一根獨立分開的引線連接變頻器的接地線。

圖3　變頻器之間接口接線圖

變頻器連接完之后，用圖1所示的方法連接上位機PC與變頻器，這樣通過一個串口便可以實現與多個變頻器之間的通信。

2.2　SEW變頻器通信指令

在串口通信中，最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數必須匹配。

波特率是用來衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送位的個數。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于距離很近的儀器間的通信。SEW變頻器與上位PC機通信波特率設為9 600 bit/s。

數據位是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發送一個信息包，標準的值是6、7和8位。數據位如何設置取決于想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127(7位)，擴展的ASCII碼是0～255(8位)，如果數據使用簡單的文本(標準 ASCII碼)，那么每個數據包使用7位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位、數據位和奇偶校驗位。SEW變頻器與上位PC機數據位設為8。

停止位用于表示單個包的最后一位。典型的值為1、1.5和2位。

奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢錯方式。有4種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位(數據位后面的一位)，用一個值確保傳輸的數據有偶數個或者奇數個邏輯高位。例如，如果數據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數是偶數個。如果是奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正地檢查數據，只簡單置位邏輯高或者邏輯低。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾通信或者傳輸和接收數據是否不同步。

如圖4所示為通信報文結構簡圖。

圖4通信報文結構圖

Fig.4Structure of the communication message

如圖4所示，SD1(Start delimiter 1)為初始分隔

符，串口通信中可以靠它來識別報文傳送的是請求信號還是響應信號。請求報文的SD1=02(hex)，響應報文的SD1=1D(hex)。

② TYP，主要是用來設置傳輸數據的結構以及數據的長度。

③ PDU，包括了要發送的具體內容，例如要讀取速度還是頻率，具體的值是多少。

④ BCC，主要是對傳送的數據進行校驗，判斷數據在傳輸過程中是否因為干擾或者其他原因導致信號失真。

以讀速度為例，上位機PC向SEW變頻器發送的指令為：02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，奇校驗方法如表1所示。

表1　校驗方法

表1中,0位到7位表示的是每位代碼轉化為8位二進制以后對應的值。由于代碼中的第7、8、9、10均為零，故在表格中將其省略。

在連續讀同一個參數時握手信號位不需要改變，如果同時讀幾個參數，則握手信號位以0、1交替；校驗碼計算方法，前面11個字節將十六進制轉換為對應的二進制以后，按縱向排列的位為1時，如果有奇數個1，則對應校驗碼該位為1，其他情況為0。發送該指令后讀到12個字節，5、6字節還是地址，7、8、9、10字節為數據。對于速度值，把7、8、9、10字節從高到低組合成一個整數，還要除以1 000，才能得到以r/min為單位的速度值。

用同樣的方法可以讀出變頻器的輸出頻率、電機電流、電機的轉角等。由于方法類似不再一一介紹。

3軟件實現

在LabVIEW中使用串口與在其他開發環境中開發的過程相類似。首先，需要調用串口配置(VISA configure serial port)函數，通過串口配置函數對串口參數進行配置，需要配置的參數包括波特率、數據位、停止位、校驗位等。初始化串口之后,需要對串口進行讀與寫的操作，數據的發送使用VISA寫入函數(VISA Write)，數據接收使用VISA讀取函數(VISA Read)。在接收數據之前需要使用串口字節數函數(VISA btypes at serial port),查詢當前串口接收緩沖區中的數據字節數，如果VISA讀取函數要讀取的字節數大于緩沖區中的字節數，VISA讀取函數將一直等待，直到Timeout或者緩沖區中的數據字節達到要求的字節數。

SEW變頻器在讀取參數時比較特殊，在讀取參數時上位機PC給變頻器的報文必須是變化的。以讀取速度為例，如果上位機只給變頻器發送02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，變頻器反饋回來的數據是不會變化的，即數據不能更新，所以在讀速度時給變頻器發送的報文要讀一下速度再讀一下其他的參數比如頻率或者電機電流。工作流程如圖5所示。

圖5　LabVIEW軟件讀參數工作流程示意圖

由于SEW變頻器的特殊性，對于讀取出來的參數要進行判斷，要識別出變頻器反饋回來的報文是與速度相關還是與頻率或者與電機電流相關。這主要通過反饋回來的報文進行區分。區分報文之前需要做一些準備工作，要將反饋報文中的第5、6、7、8、9、10位分別取出來。變頻器反饋回來的報文每一位都是十六進制形式，取出報文中的每一位都要以十進制的形式保存。對讀取出來的報文數組取屬性節點，通過LabVIEW中的索引數組函數取出報文中的5、6、7、8、9、10這幾位，并以十進制形式保存。

將報文的數據位提取出來之后，將其轉化為十進制，轉化方法為：

十進制結果=7位×166+8位×164+

9位×162+10位×160

(1)

由SEW通信協議可知，十進制結果為電機的實際轉速或者工作頻率。

對第5、6兩位進行十進制轉換，轉換公式如下：

十進制值=5位×162+6位×160

(2)

式(2)中十進制值為8 318時表示反饋的報文值為速度，當十進制值為8 319時表示反饋的報文值為頻率。以此來區分反饋報文中包含的信息內容。電機的轉向通過第7位區分，當第7位為FF(十六進制)時電機反向運轉，其他情況下電機處于正轉狀態。

4結束語

基于LabVIEW開發的柔性排纜絞車檢測系統能夠直觀實時監測纜車電機的運行參數，開發周期快，便于維護。通過實地運行驗證，監測系統的運行狀態良好，為后期的電機控制打下了堅實的基礎。

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通信地址① ADR(Slave address)，為變頻器的，通過此地址上位機可以知道此刻正在與哪個變頻器進行通信。

中圖分類號：TH7;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508008

修改稿收到日期：2014-07-15。

第一作者鄢華林(1957-)，男，1980年畢業于江蘇大學機械工程專業，獲學士學位，教授；主要從事電液伺服控制、海洋裝備、系留裝置方面的研究。