（电力电子与电力传动专业论文）pc机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t f i e l db u si se s s e n t i a li nt h ec o n t r o la r e a , w h i l et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e ma n dp ci sa l s oi r r e p l a c e a b l ei na u t o m a t i o na n dr e m o t e c o n t r o lo ft h em o t o r s ，s oi ti sp o p u l a ri ns t u d y i n go nc o m m u n i c a t i o n so ft h ef i e l db u si n t h ec o n t r o lf i e l d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e np ca n dt h e v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ( v v v f ) ，w h i c hi so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t s ， u n d e rt h er s - 4 8 5a n dp r o f i b u sb u sc o n d i t i o n s ；b e s i d e s ，w ef o c u so nt h ec i r c u i td e s i g n o ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n da c h i e v e m e n t t h i sp a p e rm a i n l yr e a s e r c ht h er s 一4 8 5 ，w h i c hi su s e dt or e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dt h ew v f a n dw ea c h i e v et h es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o lo ft h ev v v fa n de n s u r et h ep r e c i s i o nd i s p l a yo ft h ep a r a m e t e r si nt i m e ，b y d e v e l o p i n gt h eu s e r si n t e r f a c e 谢t hv b 6 0 ，a f t e rt h ep r e p a r a t i o na n dr e v i s i o no f p r o c e d u r e s ，a n df o l l o w i n gt h ec o m m u n i c a t i o n sa g r e e m e n tu s so ft h eh 1 2s e r i e s v w f t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fp r o f i b u s ，a n dw er e a l i z et h e s e r i a lp o r tc o r r e s p o n d e n c e t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n dt h ef es e r i e s v v v fi sa l s oi nr e f e r e n c et ol o t so fr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，a n dc o m b i n e d 、i t l lt h es p e c i f i c r e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t w es y s t e m a t i c a l l ys t u d yo nt h es i m a t i cn e t i n d u s t r i a l e t h e m e tw h i c hi sm o s tw i d e l yu s e di ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d ，a sw e l la st h ec o n t r o la n d m o n i t o r i n gs o f t w a r e ：s t e p 7a n dw i n c c ，a n ds e l e c tr x f e d p 0 1a s t h ef i e l db u s a d a p t e r , a n df i n a l l yg e tas u c c e s s f u lo p e r a t i o nb yp r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g t h i sp a p e ra l s og i v e sac o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e s a n dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o no ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，a n das e r i o u ss t u d yo f t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em a i nc h i pl m 3 31 ，a n df i n a l l yg i v e st h ec o m m u n i c a t i o n c i r c u i t sd e s i g np r o c e s s a f t e rt h ed e b u g g i n ga n dw a v e f o r mv e r i f i c a t i o n , i tt u m so u tt h a t t h ec o m m u n i c a t i o ni sg o o d ，谢t l lt h ee r r o rr a t eo ft h ei n p u ts i g n a l si sl e s st h a n1 k e yw o r d s ：r s - 4 8 5 p r o f i b u sf i b e ro p t i cv w ff i e l db u sc o m m u n i c a t i o n s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期2 翌鲤。主乜 e t 期2 臣z 乜。主摩 第一章前言 第一章前言 1 1 课题来源 电机在国民生产生活中有着广泛的应用，而驱动控制系统是电机的大脑和灵 魂，随着对电机驱动控制系统远程控制的需求与日俱增，对电机驱动控制系统通 信方式尤其是远程通信的研究变得越来越重要。而现场总线在控制领域尤其是远 程控制领域中是必不可少的，而p c 机和电机驱动控制系统之间的通信在电机的 远程控制和自动化等方面有着不可替代的地位，所以现场总线在电机驱动控制领 域中的应用成为热门。 变频器作为交流电机驱动控制系统的非常重要的器件，是指利用电力半导体 器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，是交流电机调速设 备的优选设备。目前变频器已成为工业生产中最常用的设备，在煤田、石油、化 工、纺织印染、建材、供水、电器等国民经济各行业，有着广泛的应用。 变频器的控制方式一般有操作面板控制和接线端子远程控制两种控制方式。 操作面板控制适合工人直接操作，接线端子远程控制需要从变频器的控制端子排 引出连线并接上一些开关，人们可以通过这些开关来控制变频器的加速和减速等。 远程控制具有人工直接操作无法比拟的优势。 本文主要研究的是在r s 4 8 5 和p r o f i b u s 总线条件下，p c 机和电机驱动控制 系统的主要器件变频器间的串行通讯，光纤通信在实际应用中的电气隔离和精准 传输的实现。 1 2 变频器远程控制的现状和必要性 我国很多变频器研发公司都已经有了自主研发的变频器远程控制器。国外有 的公司已经开发出无线远程控制的变频器，2 0 0 9 年3 月份，a b b 公司还实现了 海下电缆对变频器进行远程控制。 近年来，由于p c 机优越的性价比和丰富的软件资源，已成为计算机应用的主 流机种。但由于变频器的单片机计算能力有限，难以进行复杂的数据处理，因此 应用高性能的计算机对系统的所有智能前沿机进行管理和控制，已成为一种发展 方向。 单片机与p c 机串行通信的方式有并行通信和串行通信。并行通信就是数据的 各位同时进行传送。其特点是传送速度快、效率高，数据有多少位，就需要有多 少根传输线。当数据位数较多和传送距离较远时，就会导致通信线路成本提高， 因此它适合于短距离传输。而串行通信是指按照逐位顺序传递数据的通信方式， 2 p c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 由于仅需三根传输线传送信息：发送线，接收线和地线，传输可靠，且通信距离 相对较远，成本相对较低，所以在控制领域的现场监测、分布控制等场合应用很 普遍。因为硬件的实现比较简单，而且用户使用上也很简便，过去主要用于光纤 通信的串行通信技术正在取代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。 鉴于p c 机具有强大的监控和管理功能，变频器的单片机则具有快速以及容 易控制的特点，在数据量不大、传输要求不高的情况下，一般都采用给p c 机配 置的r s 2 3 2 标准串行接口c o m l 、c o m 2 等相连接来实现应用系统与p c 机之间 的数据交换。不同的总线类型需要各自对应的接口转换器。 p c 机具有强大的数据处理功能以及友好的控制界面，一般都采用w i n d o w s 作 为上位机的平台，其优点是界面友好，编程和操作都比较容易。另外用p c 机和现 场总线相结合还具有以下优点：开放性好，独立于生产厂家；传输速率高，不受 干扰地传输数据。 p c 机在数据的存储和备份方面显示出明显的优越性。另p i p c 控制具有通信和 网络功能。它可以连接现场总线，也可以和e t h e m e t 等局域网相连，形成现场控制、 工序导向、车间管理、厂级管理四个数据管理层次。 变频器远程控制的发展前景良好。随着信息和电子技术的发展，各种工业控 制系统网络不断改进，这就对单片机通信功能的要求不断增加。特别是对各种现 场总线技术中通信接口和通信协议，更是提出了新的通信要求：不仅能适应某一 个通信协议，还希望能成为一种通信协议自动转换的智能终端。变频器的应用已 不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而形成了向以网络为核心的分布式 多点系统发展的趋势。 远程控制之所以变成了各个公司相继不惜大力研发的必然趋势，是因为它较 之传统的人工控制有着无法比拟的优势： 第一：远程操控可以非常方便的解决人不在现场的情况。 第二：在许多变频器的应用现场，电机与操作室的距离较远。还有一些 人高温高压等不适合人工操作的危险情况，这就需要变频器的远程控制。 第三：由于现代变频器的发展，变频器的c p u 的运行速率要求越来越高，所 以就产生出了这样一个需求：把变频器c p u 和p c 机的通信做到变频器c p u 之 外，这样可以减少变频器的c p u 的负荷，给变频器减负，以适应现代对变频器的 速率功能越来越高的要求。 第四：远程控制是用户的需求，也是变频器行业发展的一个趋势。在日益激 烈的市场竞争中，公司必须得开发出拥有自主知识产权的远程控制系统，才能更 好的匹配自己生产的变频器，才能不断满足用户的需求，才能在强手如林的环境 中生存，进而壮大。 1 3 国内外对变频器通信研究的现状 3 1 3国内外对变频器通信研究的现状 根据相关参考文献，他们的成功开发为本课题的研究提供了可借鉴的经验。 但是因为近几年来控制总线等器件的改进，使得对课题的实现提出了新的挑战； 而且以上系统针对性强，用的器件过时，控制参数不全面，所以需要重新分析实 验条件和实验要求，以解决新的情况和问题。 针对以上情况，结合生产厂家的需求，通过改进设计方案，增加参数控制， 我们分别用r s 4 8 5 总线，p r o f i b u s 总线和光纤实现了单片机和变频器之间的通信。 1 4 本论文的研究内容和实现难点 本文主要研究了p c 机和电机驱动系统的几种主要通信方式：r s 4 8 5 、光纤通信 技术和p r o f i b u s 总线技术的原理和相关技术细节，并且结合具体项目，成功实现了 理论向实践的转化。 因为本论文需要实现的系统各自独立，因此对相关的软件的使用，程序的编 写，现场总线的特点，通信原理以及协议，还有变频器的使用说明都要有详细的 研究，需要查阅的资料繁杂，还要求对上述五个方面都要有一定的涉猎和掌握。 其次是实物的连接和程序调试，对动手能力的要求很高，这对本人来讲是个不小 的挑战；最后在论文的整合方面也需要一定的技巧和宏观把握的能力。这些都需 要花费大量的时间和精力。 第二章相关总线技术的概况 第二章相关总线技术的概述 现场总线以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位 于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统， 按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监控 计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。 网络把众多分散的计算机连接在一起，使计算机的功能发生了神奇的变化，把人 类引入到信息时代【l 】。现场总线给自动化领域带来的变化，正如计算机网络给单 台计算机带来的变化。它使自控设备连接为控制网络，并与计算机网络沟通连接， 使控制网络成为信息网络的重要组成部分。以下我们将主要介绍四种现场总线技 术：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、光纤通信技术和p r o f i b u s 技术。 2 1r s 2 3 2 技术 r s 2 3 2 的发展历史： r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准，其中e i a ( e l e c t r o n i c i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改( 1 9 6 9 ) ，在 这之前，有r s 2 3 2 b 、r s 2 3 2 a 。r s 2 3 2 是计算机接口与终端或外设之间的近 端连接标准。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 r s 2 3 2 标准的基础上经过改进而形成的【3 2 1 。 r s 2 3 2 的电气规定： e i a r s 2 3 2 c 对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在t x d 和r x d 上：逻辑1 ( m a r k ) = 3 v1 5 v ，逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 。 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上：信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v ，信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 3 v1 5 v 。 以上规定说明了r s 3 2 3 c 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息码) ： 逻辑“1 ”( 传号) 的电平低于3 v ，逻辑“0 ( 空号) 的电平高于+ 3 v ； 对于控制信号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的电平低于3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可 以有效地检查出来，介于3 + 3 v 之间的电压无意义，低于1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在4 - ( 3 1 5 ) v 之间。 r s 2 3 2 的通信线路： 5 一 6 p c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 r s 一2 3 2 c 标准接口有2 5 条线：4 条数据线、1 l 条控制线、3 条定时线、 7 条备用和未定义线。常用的只有9 根，它们是： ( 1 ) 联络控制信号线：( 6 个) 数据装置准备好( d s r ) ：有效时( o n 状态) ，表明m o d e m 处于可 以使用的状态； 数据终端准备好( d t r ) ：有效时( o n 状态) ，表明数据终端可以使 用； 请求发送( r t s ) ：用来表示d t e 请求d c e 发送数据，即当终端要发 送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请求发送。它用来控制 m o d e m 是否要进入发送状态： 允许发送( c t s ) ：用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数据，是对 请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备好接收终端传来的数据， 并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线t x d 发送数据； 接收线信号检出( r l s d ) ：用来表示d c e 已接通通信链路，告知d t e 准备接收数据。当本地的m o d e m 收到由通信链路另一端( 远地) 的m o d e m 送来的载波信号时，使r l s d 信号有效，通知终端准备接收，并且由m o d e m 将接收下来的载波信号解调成数字数据后，沿接收数据线r x d 送到终端。 此线也叫做数据载波检出( d c d ) 线； 振铃指示( r i ) ：当m o d e m 收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该 信号有效( o n 状态) ，通知终端，已被呼叫。 ( 2 ) 数据发送与接收线：( 2 个) 发送数据( t x d ) ：通过t x d 终端将串行数据发送m o d e m ( d t e - - ，d c e ) ： 接收数据( r x d ) ：通过r x d 线终端接收从m o d e m 发来的串行数据， ( d c e d t e ) 。 ( 3 ) 地线( 1 个) 信号地线( s g ) ：无方向。 上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过 程。例如，只有当d s r 和d t r 都处于有效( o n ) 状态时，才能在d t e 和 d c e 之间进行传送操作。若d t e 要发送数据，则预先将d t r 线置成有效 ( o n ) 状态，等c t s 线上收到有效( o n ) 状态的回答后，才能在t x d 线 上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双 工的通信才能确定d c e 已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发 送。 对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现通信，如一条发送线、一 条接收线及一条地线。 第二章相关总线技术的概况 2 2r s 4 8 5 技术 发展历史： r s 4 8 5 是在r s 4 2 2 的基础上发展来的。r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收 的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a 4 2 2 a 标准。它是为弥补r s 2 3 2 之 不足而提出的。r s 2 3 2 接口以9 个接脚( d b 9 串口线) 或是2 5 个接脚( d b 2 5 打印机线) 的型态出现。是最原始的串口。为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低 的缺点而改进的。为扩展应用范围，又在r s 4 2 2 基础上制定了r s 4 8 5 标准，增 加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了 发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，命名为t i 觥认4 8 5 - a 标准【3 2 】。 电气规定： 逻辑“1 以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“0 ”以两线间的 电压差为( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 一c 降低了，就不易损坏接 口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接。 r s 4 8 5 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。它使用一对双绞线， 将其中一线定义为a ，另一线定义为b 。 通常情况下，发送驱动器中，逻辑“1 以a 、b 之间的正电压差+ ( 2 6 ) v 表示，逻辑“o 以a 、b 之间的负电压差( 2 - 6 ) v 表示。这样，接口信 号电平比r s 2 3 2 c 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接。 r s - 4 8 5 还有一个信号地和“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与 传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作 “第三态”，即它是有别于逻辑“l 刀与“0 的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对 应相连，当在接收端a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于 2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至 6 v 之间。 通信线路和接口技术： r s 4 8 5 有三根通信线路：正信号线、负信号线和地线( g n d ) 。它有两 种模式：半双工模式和全双工模式。半双工模式时，只有两根传输线：d a t a + 和d a t a ；全双工模式时，有四根传输线：t + ，t - ，r + ，r 。 r s 4 8 5 四线有四根信号线：两根发送( y 、z ) 、两根接收( a 、b ) 。由 7 一 8p c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 于收与发是分开的，所以可以同时收和发( 全双工) ； r s 4 8 5 两线有两根信号线：发送和接收都是a 和b 。由于收与发是共 用两根线，所以不能够同时收和发( 半双工) 。 r s 4 8 5 的四线和两线的d b 9 型接口的定义如表2 1 所示： 表2 1r s 4 8 5 的四线和两线的d b 9 型接口的定义 引脚四线 两线 1t +d a t a + 2t -d a t a 3 r +n c 4r n c 5g n dg n d 传输特点： r s 4 8 5 ( e i a 4 8 5 标准) 是r s 4 2 2 的改进，它具有以下特点： a r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“1 以两线问的电压差为+ ( 2 “) v 表示；逻 辑“0 以两线间的电压差为( ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降低了， 就不易损坏接口电路芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与1 l 电路连接。 b r s 4 8 5 的数据最高传输速率为10 m b p s 。 c r s - 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强， 即抗噪声干扰性好。 d r s 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米，另 外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而r s 4 8 5 接口 在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单 一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 因r s 4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述 优点就使其成为首选的串行接口。因为r s 4 8 5 接口组成的半双工网络，一般只 需二根连线，所以r s 4 8 5 接1 2 1 均采用屏蔽双绞线传输。 2 3p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 是过程现场总线p r o c e s sf i e l db u s 的缩写，是由西门子公司推出，作 为德国国家标准d i n1 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n5 0 1 7 0 的现场总线，同时它也是 i e c 6 2 0 2 6 现场总线标准之一。 p r o f i b u s 是比较完善的现场总线系统，根据应用可分为p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n 现场总线信息规范) ，p m f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ， 第二章相关总线技术的概况 9 一 分布式外围设备) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n 过程自动化) 三个兼容版本。 性能及优缺点：p r o f i b u s 是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可 视化系统在一条总线上相互操作。拥有访问权( 令牌) 的主站无需外部请求就可 以发送数据。而从站是一种被动设备，不享有总线访问权。从站只能对接收到的 消息进行确认，或者在主站请求时进行发送。波特率支持9 6 k b s 至1 2 m b s 。 总线上最多可连接1 2 6 个设备。p r o f i b u s 也支持广播和多点通谢3 2 j 。 p r o f i b u s 是世界领先的工业通讯系统，在欧洲的制造和过程自动化领域应用较 多。p r o f i b u s i 扫西门子公司和其它一些国际化的设备制造商大力支持，几乎所有的 自动化产品类型都支持p r o f i b u s 的产品；在冶金，电力，水处理，化工等行业具有 大量的应用案例，具有行业应用优势。 2 4 光纤通信技术 光纤通信的历史和现状t 1 9 6 6 年英籍华裔学者高锟和霍克哈母发表的论文，指出了利用光纤( o p t i c a l f i b e r ) 进行信息传输的可能性和技术途径，奠定光纤通信的基础。光纤和半导体 激光器的技术进步，是1 9 7 0 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1 9 7 6 年， 美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验，这标志着光 纤通信从基础发展到了商业应用的阶段。此后，光纤通信技术不断发展：光纤从 多模发展到单模，工作波长从o 8 5 u r n 发展到1 3 1 和1 5 5 u r n ，传输速率也有改进。 另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围 不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字 电话到有线电视，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信 息宽带的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家基础设施的支柱p 3 。 光纤通信原理概述： 光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年， 已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。中国光 纤通信也已进入实用阶段。 光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息( 如话音) 变成电信 号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度( 频率) 变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变 换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信就是利用光波作为载波来传送信 息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。 l op c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 光纤通信与以往的电气通信相比，有很多优点：它传输频带宽、通信容 量大；传输损耗低i 中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属 材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力 强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点。光纤 通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，它还用于高质量彩色的 电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、 共用天线( c a t v ) 系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰 艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。 光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各 种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后 送到光纤传输系统完成通信过程。图0 1 示为一光纤通信系统框副3 3 】。 l a 端i卜b 端l 用户 用户 甩户圉豫 图0 1 光通信系统的基本组成结构图 第三章基于v b 的p c 机和变频器的通信 旦 第三章基于v b 的p c 机和变频器的通信 3 1v b 简介 v i s u a lb a s i c 编程语言是在早期的b a s i c 语言基础上发展而来的，是软件巨头 美国微软( m i c r o s o f t ) 公司推出的w i n d o w s 环境下的应用开发工具。它具有面 向对象，事件驱动，联机帮助等一些特点，使得界面的开发十分方便。 v b 应用程序的结构： 由于v i s u a lb a s i c 应用程序是基于对象的，所以应用程序的代码结构就是该 程序的结构。v i s u a lb a s i c 的代码存储在模块中。模块有三种类型：窗体、标准和 类。每个标准模块、类模块和窗体模块都可包含声明和过程。 事件驱动应用程序的方法： 事件是窗体或控件识别的动作。在响应事件时，事件驱动应用程序执行b a s i c 代码。v i s u a lb a s i c 的每一个窗体和控件都有一个预定义的事件集。如果其中有一 个事件发生，而且，在关联的事件过程中存在代码，则v i s u a lb a s i c 调用该代码。 尽管v i s u a lb a s i c 中的对象自动识别预定义的事件集，但要判定它们是否响 应具体事件以及如何响应具体事件则是编程的责任了。代码部分( 即事件过程) 与每个事件对应。想让控件响应事件时，就把代码写入这个事件的事件过程之中。 对象所识别的事件类型多种多样，但多数类型为大多数控件所共有。例如， 大多数对象都能识别c l i c k 事件：如果单击窗体，则执行窗体的单击事件过程中的 代码；如果单击命令按钮，则执行命令按钮的c l i c k 事件过程中的代码。每个情况 中的实际代码几乎完全不一样。 v b 控件： 本文所编写的变频器远程控制界面主要运用了以下控件：文本框t e x t b o x 、 命令按钮c o m m a n d b u t t o n 、标签l a b e l 、单选按钮o p t i o n b u t t o n 、复选框c h e c k b o x 、 列表框l i s t b o x 、组合框c o m b o b o x 、框架f r a m e 、计时器t i m e r 、外形控件s h a p e 、 状态栏s t a t u s b a r 、树视t r e e v i e w 控件、滑动块s l i d e r 控件、m s f l e x g r i d 控件、 m s c o m m 控件。 3 2 变频器串行通信协议 通信协议的适用范围： 所有的h 1 2 系列变频器都有一个串行接口。串行接口采用r s 4 8 5 双绞线连接， 1 2 p c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 其设计标准适用于工业环境的应用对象。单一的r s - 4 8 5 链路最多可以连接3 1 台变 频器，而且根据各变频器的地址或者采用广播信息都可以找到需要通信的变频器。 链路中需要有一个主控制器( 主机) ，而各个变频器则是从属的控制对象( 从机) 。 采用串行接口有以下优点：( 1 ) 大大减少布线的数量； ( 2 ) 无须重新布线， 即可更改控制功能；( 3 ) 可以通过串行接口设置和修改变频器的参数；( 4 ) 可 以连续对变频器的特性进行监测和控制。 协议的物理描述： 接口：r s 4 8 5 总线接口( 异步、半双工) ； 数据格式：( a ) 1 位起始位、8 位数据位、1 位停止位、无校验；( b ) 1 位起 始位、8 位数据位、1 a i _ 立停止位、奇校验；( c ) 1 位起始位、8 位数据位、1 位停止 位、偶校验。默认选择的是( a ) 1 位起始位、8 位数据位、1 a l 立停止位、无校验。 波特率：1 2 0 0 2 4 0 0 4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0 b p s ，默认为9 6 0 0 b p s 。 通信地址：从机( 变频器) 的本机地址设置范围为0 3 1 ( 主机发送从机地址号 为3 2 的数据帧视为广播消息) 。 通信方式：以p l c p c 机后台为主机、变频器为从机，采用主机“轮询、从机 “应答的方式。 协议的类型： 协议采用通用的串行接口协议( u s s ) 。 通用的串行接口协议( u s s ) 按照串行总线的主从通信原理来确定访问的方 法。总线上可以连接1 个主机和最多3 1 个从机。主机根据通信报文中的地址字符来 选择要传输数据的从机。在主机没有要求它进行通信时，从机本身不能首先发送 数据，各个从机之间也不能直接进行信息的传输。 数据帧格式： 如图3 1 所示，每帧数据都是以起始字节s t x ( = 0 2 h ) 开始，接着是帧长度说 明字节( l g e ) 和从机地址字节( a d r ) ，然后是采用的数据字符；每帧以数据块 的异或校验字节( b c c ) 结束3 0 1 。 l 起始字节 长度说明字节从机地址字节 异或校验l l s t xl g ea d r 12n字节i l b c c i 采用的数据字符 图3 1 数据帧结构 采用u s s 广播方式通信： 采用u s s 广播方式通讯时，所有从机都通过一个简单的数据帧来寻址，这样 第三章基于v b 的p c 机和变频器的通信 旦 分成若干组的多台变频器即可实现同时起动和停车。数据帧的结构如下： a d r ：位5 必须设置为1 ，其他位应设置为o ( 相当于从机地址为3 2 ) ；+ p k w ：p k w 区必须是4 个字长，而且至少应使第1 个字的位1 5 、位1 2 和位 1 设置为1 ，也必须使第2 个字的位1 5 和位0 设置为1 。字3 和字4 随意。这就 给出如下的p k w 报文：8 0 0 68 0 0 10 0 0 00 0 0 0 ( h ) 。这是在u s s 通信规程中规定 的。当然，也可以在p k w 区发送f f f ff f f ff f f ff f f f ( h ) ，因为这也可以让必 须置为l 的那些位设置为1 ( 说明：广播方式下p k e 不能用于读写参数的数值) 。 p z d ：通常p z d 是2 个字，链路上所有的变频器同时对命令和设定值做出反 应。各个从机不产生应答数据帧，不对广播的数据帧做出相应。 变频器远程控制界面的数据帧： 变频器远程控制界面用o u t ( 0 ) o u t ( 1 5 ) 一共1 6 个字节来表数据帧，具体 含义如表3 1 所示【3 0 l 。 根据通信协议的规定，可以得知，在上述1 6 个字节中o u t ( 0 ) - s t x 、o u t ( 1 ) l g e 、 o u t ( 7 ) p w e i _ h 和o u t ( s ) p w e 2 _ l 中的值的固定不变的，具体值如表3 2 所示【3 0 1 。 表3 1 变频器远程控制界面中的数据帧 o u t ( 0 ) s t x 起始字节 o u t ( o l g e 长度说明字节 o u t ( 2 ) a d r从机地址字节 o u t ( 3 ) p k e o u t ( 4 ) 任务识别标记i d 或应答识别标记 o u t ( 5 ) d i d o u t ( 6 ) o u t ( 7 ) p w r e l o u t ( s ) 变频器参数号( p u n ) o u t ( 9 ) p w e 2 o u t ( 1 0 ) o u t 0 1 ) p z d l变频器的控制字( s t w ) 或变频器 o u t ( 1 2 ) 的状态字( z s w ) o u t ( 1 3 ) p z d 2 主设定值( h s w ) 或主要的运行参 o u t ( 1 4 ) 数实际值( h i w ) o u t ( 1 5 ) b c c 异或校验字节 1 4 p c 机和电机驱动控制系统几种通信方式的实现 表3 2 固定值的字节 字节字节说明 值 o u t ( o ) s t x0 2 h o u t o ) l g eo e h o u t ( 7 ) p 、 ，】已l0 0 h o u t ( 8 ) o o h 3 3 变频器远程控制界面的设计过程 3 3 1 变频器远程控制界面的设计原则 变频器远程控制界面设计就是依据变频器的通信规程向变频器发出遥控操作 指令序列，控制一个或多个变频器按照操作者的意愿进行运行，并在变频器出现 故障时，将变频器的故障原因记录下来，便于工作人员研究和分析变频器的故障 原因，减少故障。 变频器远程控制界面主要是用于远程读取和修改变频器的各参数值，由于在 控制界面运行时，我们主要关注的是变频器的各参数，因此，在控制界面运行初 期，添加多个窗体来完成必要的程序连接，而在控制界面运行期间，将这些窗体 隐藏，这样可以减小控制界面在运行时占用的显示面积，更合理的利用计算机资 源；同时，由于变频器中包含了大量参数，而且一个参数在多个过程、多个的时 间段都可能用到，因此，软件添加了一个类模块，这样，不仅可以减少编程的复 杂性，还可以减少程序的出错率。 变频器远程控制界面的组成部分：变频器远程控制界面由运行模式选择 f r a m e 、通信参数模块、变频器选择模块、运行状态f r a m e 、运行控制f r a m e 、控制 选择t r e e v i e w 、参数设置f r a m e 、故障记录f r a m e 和数据传送监视窗口f r a m e 这九 部分组成。 3 3 2 运行模式选择f r a m e 的设计 ( 1 ) 功能：“运行模式选择 f r a m e 包含“本机键盘控制 和“远程计算机控 制 两个单选框。默认时，本机键盘控制处于选择状态；当选中远程计算机控制 单选框时，“运行控制”、“通讯参数 、“变频器号”和“连接 按钮才能使用；这 样可以防止在误操作引起的安全问题。 ( 2 ) 本机键盘控制：“本机键盘控制 的前景色在选中和未选中时不同；当 “本机键盘控制”单选框选中时，“通讯参数 、“变频器号和“连接”按钮处于 不响应状态，本机键盘控制的程序如下： o p t 2 f o r e c o l o r = & h 8 0 0 0 0 0 12 第三章基于v b 的p c 机和变频器的通信 o v t lf o r e c o l o r = h f f c o m m a n d 6e n a b l e d = f a l s e c o r m n a n d 3e a a b l e d = f a l s e c o m m a n d 9 e n a b l e d = f a l s e ( 3 ) 远程计算机控制：与“本机键盘控制相同”，“远程计算机控制”单进框 在选中和未选中时，前景色也不相同；与“本机键盘控制”相反的是，当“远程 计算机控制”单选框选中时，“通讯参数”、“变频器号”和“连接”按钮处于响应 状态，远程计算机控制的程序如下： o o t lf o r e c o l o r ；h 8 0 0 0 0 0 1 2 o v t 2f o r e c o l o r = h f f & c o 眦衄d 6 e n a b l e d = t r u e c o r t u n a n d 3 e n a b l e d = t r u e c o m m a n d 9 e n a b l e d = t r u e ( 4 ) 显示界面 运行梗式毽择 j 笨覆鹾群m 通讯参数i r 远程计茸机控制 ( a j ( b ) 图32 本机键盘控制 运行梗式建挥 t 、奉机建盘控制 r 西断张掰【j 茔苇珥 ( a ) 麦频器号