串行通信技術在發酵攪拌機變頻調速控制系統中的應用

馬 凱耿恒海

（1.南京科技職業學院，南京 210048；2.江蘇奧賽康藥業股份有限公司，南京 211112）

串行通信技術在發酵攪拌機變頻調速控制系統中的應用

馬 凱1耿恒海2

（1.南京科技職業學院，南京 210048；2.江蘇奧賽康藥業股份有限公司，南京 211112）

本文首先介紹發酵用攪拌機工作特性，提出一種基于串行通信技術的發酵攪拌機變頻調速閉環控制系統設計方案，然后闡述變頻器串行通信設置方法，利用VC++平臺，使用MSComm控件編程完成計算機串行通信控制變頻器，實現攪拌機閉環調速。

攪拌器 485通信 變頻調速 MSComm

引言

攪拌混合是化工行業、制藥行業生產過程中最常見、最重要的化工單元操作之一，包括對化工料漿的均化、分散等工藝過程。其主要目的是使生產過程中傳質或傳熱過程加速，從能量轉化角度來看，是機械能借助旋轉中的攪拌葉輪轉化為流體的動能，因此形成罐內混合料漿的整體流動，快速完成傳質或傳熱過程。

發酵攪拌機能增強空氣泡在培養液中的細化和分散，進一步延長停留時間，增加氣液兩者間的接觸，使空氣中的氧氣充分地被溶解，供培養菌呼吸快速繁衍生長。

攪拌速度在發酵中至關重要，它會直接影響溶氧量，合適的攪拌速度，氧氣與發酵液能充分接觸，使溶氧量增加，從而提高發酵罐內溫度和營養物質質量濃度的均勻度、氧傳遞系數、氧的轉移速率，有利于細胞的生長、產物的生成。但是如果攪拌速度過大，如用50Hz工頻轉速運轉，則會使剪切速度過大，導致菌絲體受到損傷，影響菌絲體的正常代謝生長，還會產生大量泡沫，從而造成能量浪費。另外，溶氧量與單位攪拌功耗成正比，攪拌機功耗與攪拌轉速的三次方成正比。

根據發酵攪拌機的工作特性，采用變頻調速方可通過檢測溶氧量實時調節攪拌器的轉速，不僅能滿足工藝要求，也會大大減少能量損耗。

1 系統設計方案

圖1 系統結構框圖

根據實際需求，此攪拌機變頻調速閉環控制系統采用計算機、變頻器、在線溶氧傳感器構成，系統構成如圖1所示。工作中，計算機，即上位機將預設值通過485串口傳送給變頻器，變頻器控制發酵罐中攪拌機運轉，發酵罐中的在線溶氧傳感器將檢測到的氧含量通過溶氧變送器反饋給上位機進行數據運算，如果數據小于預設下限值，上位機就給變頻器發送升頻數據，提高發酵罐中攪拌電機旋轉速度；如果采集到的溶氧值大于預設上限值，則給變頻器發送降頻數據信息，減小攪拌速度；如果采集到的溶氧值在預設溶氧值區間內，則傳送給變頻器的數據維持不變。

2 系統硬件設計

2.1 ADAM-4520模塊

常用串行通信接口標準有RS-232C和RS-485，其中，RS-232C接口采用全雙工通訊模式，其特點單端收發，抗共模干擾能力較弱，傳輸速率較低，約20Kbps，通信距離短，10m左右；而RS-485接口標準采用平衡差分電路，抗干擾能力強，傳輸速率高，最高可達115.2Kbps，且傳送距離遠，能達到1 200m左右。考慮到上位機至現場有一定距離，以及為確保數據傳輸的可靠性和穩定性，本系統選擇RS485接口標準來完成數據串行通信。

但一般計算機僅有一個RS-232C接口，如果要實現上位機和變頻器的485通信，則需要利用轉換模塊將RS-232C轉換為RS-485標準。本系統選用研華公司生產的亞當模塊，型號為ADAM-4520，該模塊是光電隔離型，提供高達直流3000V的隔離電壓保護，其內置的電路可以自動控制收、發數據信號的傳輸方向，使用時只要將模塊一端直接插在計算機DB9的RS-232C串口上，原有計算內RS-232C的通訊程序無需任何改動，就可以通過模塊另一端實現RS-485方式遠距離通信。

2.2 變頻器485通信RJ45接口

變頻器自帶485通信是RJ45接口，8個口線的接口標號定義如圖2所示，其中有①、③、④、⑤、⑥5根線需要與ADAM-4520轉換模塊的SG、SDA、RDB、RDA、SDB端子相連，實現串口通信的物理連接。

圖2 變頻器與ADAM-4520模塊接線圖

2.3 在線溶氧傳感器Inpro6800

根據攪拌速度與溶氧系數密切關系，采用梅特勒-托利多的在線溶氧傳感器Inpro6800實時監測發酵液中的氧含量，再通過溶氧變送器M400將數據反饋給計算機進行數據運算，對攪拌機轉速進行閉環控制。

3 系統軟件設計

3.1 變頻器串行通信參數設置

為實現上位機和變頻器的串行通信，需要預先對變頻器的相關通信參數進行初始化設置。參數主要包括通信波特率、字節長度、停止位個數、奇偶校驗及通信再試次數等。

如果沒有對特定參數進行初始化設置，或進行了不正確的初始化設置，數據傳輸就會出現問題，且每次初始化設置后，還要對變頻器進行復位操作，參數設置方可生效，需要設定的變頻器參數如表1所示。

表1 FRE540變頻器初始化參數設置

3.2 通信協議設定

上位機與變頻器之間的半雙工RS485串行通信時序如圖3所示，其中，①為通信請求發送數據到變頻器，②為變頻器數據處理時間，③為從變頻器返回計算機的數據，④為計算機處理延遲時間，⑤為計算機根據返回數據的應答。

圖3 上位機與變頻器串行通信時序圖

對于①③⑤三個階段是參數寫入還是參數讀出，是運行控制還是設定頻率或是監視電機狀態，通信協議中都有相關的數據格式來規定，具體格式如表2所示。

表2 數據類型及格式

表2中的ENQ、STX、ETX、ACK、NAK都是控制代碼，其含義分別是通信的請求、數據傳送開始、數據結束、未發現數據錯誤、發現數據錯誤，編程時它們都會用各自的ASCII碼來表示。

圖4 系統程序流程圖

3.3 上位機編程

使用計算機編程控制串口有多種方法，其中常用的一種是微軟的MSComm控件，另外還有一種是調用WinAPI函數。MSComm控件應用簡單方便，但靈活性較差，且最多只能支持16個串口；WinAPI功能十分強大，可以針對不同的任務要求，應用方式靈活多樣，但快速掌握有一定難度。

本項目應用VC++進行上位機編程，程序中利用MSComm控件，通過一個對話框程序，來實現對變頻器的串行通信控制。MSComm控件的大部分屬性都是可讀可寫的，設置控件屬性后，添加控件的事件響應代碼，就可以使串口根據任務要求進行工作，具體可劃分為四個方面任務。

（1）加載控件：VC++開發環境在默認情況下，不會含有MSComm控件，所以使用控件編程必須將MSComm控件加載到VC++開發環境中。

（2）初始化及打開串口：初始化函數OnInitDialog()主要完成對串口的參數設置，包括所用的端口、波特率大小、數據位數、奇偶校驗方式、停止位數等參數，這些參數設置必須要和變頻器參數初始化設置保持一致，參數設置正確后，即可打開串口。

（3）事件處理：包括接收串行數據、發送串行數據和對通信錯誤進行處理等操作。通常此部分程序是一個選擇分支結構，可使用if語句或者switch語句實現。

（4）關閉串口：當使用完串口后，應使用函數SetPortOpen(0)關閉串口，以釋放串口資源。

3.4 控制系統流程圖

系統程序流程圖如圖4所示，通過在線溶氧傳感器Inpro6800和溶氧變送器M400將數據采集至計算機后，與溶氧下限值進行比較，如果小于溶氧下限值，則給變頻器發送升頻數據信息，增加發酵罐中攪拌電機旋轉速度；如果采集到的溶氧值大于規定溶氧上限值，則給變頻器發送降頻數據信息，減小攪拌速度；當采集到的溶氧值在規定溶氧值區間內，傳送數據保持不變。這樣通過對溶氧量的在線監測，實時調整攪拌器的轉速，滿足了實際工藝要求，且節能效果明顯。

4 結語

計算機對變頻器直接控制，間接實現了攪拌器的轉速操作，能在一定程度上降低原材料的消耗，其變頻控制裝置節約電能與風機水泵很接近，可達30%～35%，并且對發酵工藝過程的各項指標也有一定改善，具有明顯的經濟效益和社會效益，值得推廣和應用。

[1]馬凱．基于RS_485通信技術的PLC對礦井局部通風機變頻調速實現[J].煤礦機械，2013，（7）：252-255.

[2]梅特勒-托利多.多參數變送器M400操作說明書[EB/OL].(2014-05-17)[2015-10-15]. http://www.docin.com/p-813436530.html.

[3]道客巴巴.三菱變頻調速器FR-E500使用手冊[EB/OL]. (2014-05-17)[2011-02-18]. http://www.doc88.com/ p-09792181022.html.

[4]劉書智.VC++實踐與提高-串口通信與工程應用[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[5]王明衍，趙毅.一種基于RS- 485接口的通信方法[J].微計算機信息，2006，（1）：220-222.

Application of Serial Communication Technolog in Frequency Conversion and Speed Regulator of Fermentation Blender Control System

MA Kai1，GENG Henghai2
(1.Nanjing Polytechnic Inst itute ,Nanjing 210048;2.Ji angsu Aosaikang Pharmaceutical Co. Ltd Nanjing,Nanjing 211112)

This paper fir st introduce performance of fermentation blender , then put forward a design scheme of closedloop control system of frequency conversion and speed regulator in fermentation blender base on serial communication technolog, then expounds the se rial commun ication setting method of Inverter , complete computer control inverter using MSComm through the vc ++ platform, finally realize blender speed closed-loop control.

blender,RS485 s erial communication,frequency conversion speed regulator,MSComm

南京科技職業學院“科研北斗計劃”創新平臺建設項目（NJCC-2014-BD-JSXM-05）。