紡機中的微機遠程多電機同步傳動控制系統

在紡織、印染、造紙等生產中，多電機同步傳動應用的十分廣泛。其中，印染聯合機的工藝及控制原理圖如圖1所示，采用西門子MICROMASTER Vector, 即MMV變頻器，電機1(M1)至電機4(M4)為三相交流電機。

圖1     印染聯合機的工藝及控制原理圖

    b變頻調速以其顯著的節(jié)能效益、優(yōu)異的調速與起制動性能、高功率因數、安全性能及其它許多優(yōu)點而被認為是非常有發(fā)展前途的調速方式。交流電機和變頻器配合，能獲得與直流電機相似甚至更好的控制性能。并且交流電機低，結構簡單，容量和電壓范圍廣。采用RS485標準總線，通過USS通訊協議組成網絡，遠程控制變頻器，進而控制電機，可以監(jiān)控生產線，遠離對人體有害的工作現場，保存數據，出錯參數自動回傳，縮短診斷時間和維修時間，節(jié)省大量物力。工控機通過RS-232/RS-485接口轉換器接入RS485網絡，可遠程控制31臺變頻器，當數據傳輸率＜100kbit/s時，距離可達到1200m。接口轉換器采用Model 2485BR隔離型接口轉換器，它能完成RS-232/RS-485隔離型接口轉換，支持不同通訊速率及格式，最多可連接32個485終端設備。

2  軟件的總體設計
    VC有ClassWizard、SourceBrowser、Visual SourceSafe等一系列工具，它所帶的MSDN更是讓軟件人員感到十分方便。而且VC應用程序對系統有極好的兼容性和穩(wěn)定性。用VC從底部開發(fā)，雖然開發(fā)周期稍長，但能根據用戶的需要進行編程，編出的軟件的功能和風格適合用戶的習慣。綜合考慮開發(fā)周期和用戶要求等因素，軟件采用VC編寫。軟件的總體設計框圖見圖2。

圖2      軟件總體設計框圖

3  軟件開發(fā)過程

3.1 建立窗體顯示項目
選擇項目類型MFC AppWizard(exe),令主要的視圖類從基類CFormView派生。

3.2 添加MScomm控件
    Microsoft Communications Control(以下簡稱MSComm)是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，通過串行端口傳輸和接收數據，為應用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時非常方便，程序員不必去花時間去了解較為復雜的API函數，而且在VC、VB、Delphi等語言中均可使用。它提供了兩種處理通信問題的方法;一是事件驅動(Event-driven)方法，一是查詢法。本軟件采用事件驅動方式。

(1) MSComm 控件的常用屬性
MSComm 控件有很多屬性，幾個重要的屬性有;

●CommPort 設置并返回通訊端口號;
● Settings 以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位;
● PortOpen 設置并返回通訊端口的狀態(tài)，也可以打開和關閉端口;
● Input 從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符;
● Output 向傳輸緩沖區(qū)寫一個字符串。

(2) 添加MSComm 控件
選擇Project菜單下Add To Project子菜單中的 Components and Controls選項，在彈出的對話框中雙擊Registered ActiveX Controls項，則所有注冊過的ActiveX控件出現在列表框中。選擇Microsoft Communications Control，單擊Insert按鈕將它插入到我們的Project中來，接受缺省的選項。另外，添加2個控件,1個List Box控件，用于改變通訊端口號，1個Edit Box控件，用于改變波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。

(3) 設置MSComm串口參數
可以在需要的時候打開串口，例如在程序中做一個開始按鈕，在該按鈕的處理函數中打開串口�，F在我們在主對話框的CSCommTestDlg::OnInitDialog()打開串口，加入如下代碼;
// TODO: Add extra initialization here
if(m_ctrlComm.GetPortOpen())
m_ctrlComm.SetPortOpen(FALSE);
m_ctrlComm.SetCommPort(1); //選擇com1
if( !m_ctrlComm.GetPortOpen())
m_ctrlComm.SetPortOpen(TRUE);//打開串口
else
AfxMessageBox("cannot open serial port");
m_ctrlComm.SetSettings("9600,e,8,1");
//波特率9600，偶校驗，8個數據位，1個停止位
m_ctrlComm.SetInputModel(1);
//1;表示以二進制方式檢取數據
m_ctrlComm.SetRThreshold(1);
串口初始化程序如下;
m＿Coml.SetCommPort(1);      //設置串口1
if(! m＿Coml.GetPortOpen())
m＿Coml.SetPortOpen(TRUE);   //打開串口
m＿Coml.SetSettings(″9600，e，8，1″);
//串口參數設置
m＿Coml.SetInputMode(1);
//設置Binary緩沖輸入方式
m＿Coml.SetRThreshold(14);
//每接收14個字符，激活一次OnComm()事件

3.3 添加控制電機運行所需的各種控件
    添加垂直滾動條List Box，對應于USS協議的地址ADR，表述為變頻器號:1-31直接列出，廣播式的32用“全部”代替。添加垂直滾動條List Box，對應于USS協議的STW，表述為電機動作方式:啟動，停止等。添加垂直滾動條List Box，對應于USS協議的PKE, 表述為要回顯的運行參數。添加開始發(fā)送按鈕、緊急起動按鈕、緊急停車按鈕等等。

3.4 USS協議
USS協議是profibus的一個子集。USS通信協議有各種長度，視所要滿足的功能多少而定，且因所用設備類型而有所不同。協議規(guī)定如表1所示;

表1    USS協議的規(guī)定
(1) 下傳的規(guī)定;
● STX(start of text);起始字符，為02H。
● LGE(telegram length);發(fā)送報文的字節(jié)數，可以變化�？倛笪牡膶嶋H長度比LGE多兩個字節(jié)，這是因為開始的2個字節(jié)(STX和LGE)不被計入LGE中。只有net字符、ADR字節(jié)和BCC字符計入LGE中。具體為;總報文最長256字節(jié)，總報文= STX+LGE+LGE=2+LGE，1d LGE d 254，LGE=ADR+n+BCC=1+n+1，nd254(設net字符數n)。
● ADR(address byte);變頻器的地址碼，取值范圍為0～31(Bit;0～4位)，第5位為1時為廣播發(fā)送。
● net character(或稱net data)段分為2個區(qū);PKW區(qū)和 PZD區(qū), 如表2所示。

表2    PKW區(qū)和 PZD區(qū)的規(guī)定


a)PKW (parameter ID value);參數標識值，定義了處理2個通訊設備之間參數傳遞的機制。例參數的讀和寫，參數的定義等。包含PKE、IND、PKW elements3個內容。MM3的PKW長度為3個字，MM4的PKW長度為4個字, 如表3所示。

表3    MM4的PKW定義

PKE;為一16位的字，用來控制變頻器的運行參數設置，各Bit的含義如表4所示;

表4    PKE各Bit的含義


控制位(15-12) 0(11) 變頻器的參數值(10-0)
對于MMV變頻器，控制位為0000時，無動作;控制位為0001時，讀變頻器的參數;控制位為0010時，寫參數到變頻器的RAM，控制位為1110時，寫參數到變頻器的EEPROM。
IND;為16位的字。用于讀寫參數說明，讀寫一維數組值，讀寫報文的信息內容。
PKW element(PKWE):信息，與任務或響應有關。假如在net data區(qū)只傳送PZD data時，可以長度為0。
PKE與PKWE的使用舉例。下傳變頻器參數PKE=(0001,0000,0101,1100)=105Ch(即要求上傳P092(串口連接波特率))，PKWE =0000。若上傳變頻器參數為PKE=105Ch,PKWE=0006,又由于MMV變頻器規(guī)定P092為3時是1200bit，為4時是2400bit，為5時是4800bit，為6時是9600bit，為7時是19200bit，則說明此時串口連接波特率為9600bit。
b) PZD (process data);過程數據，如表5所示。包含了自動操作所需的信號;從主機到從站的控制字和定位點，從從站到主機的狀態(tài)字和實際值。最長16個字，最短0字。

表5    PZD的定義


PZD1為控制字，PZD2為主要定位點，PZD3... PZD16為定位點或輔助控制字;
PZD1;為控制字，16位的字，用來控制變頻器的運行動作;
PZD2;為主要定位點，16位的字，用來控制變頻器的輸出頻率，滿頻的值為16384(4000H)對應100％的輸出頻率，最大值為32767，即200％的輸出頻率。當取值為32768～65535時，表示反向的輸出頻率從0％～200％變化，電機反轉。
● BCC;校驗字符，為前面所有字節(jié)的異或和。
上傳規(guī)定與下傳規(guī)定基本相同，只是上傳的一般為實際值。

3.5 數據的處理
    這里以發(fā)送數據中輸出頻率的處理為例，假設軟件界面輸出頻率編輯框(對應變量m_strFreData)填寫50，程序將“50”以字符形式取出，通過編寫的函數String2Dec將字符“ 50”轉換為十六進制字節(jié)數“32”即50D，由于USS發(fā)送協議中變頻器的輸出頻率HSW為16位的字，所以 要將字節(jié)擴展成對應的字。50D通過擴展后對應的字為4000H。25D通過擴展后對應的字為2000H。以此類推運算。設輸出頻率50D，示范程序如下:
CByteArray hexdata;// hexdata為十六進制數組，m_strFreData為輸出頻率的十進制變量
int len=String2Dec(m_strFreData,hexdata);
// 輸出頻率m_strFreData=50D轉換為十六進制的hexdata[0]= 0X32
LONG NUM1,NUM2;//實型精確一些
INT  NUM3;
hexdata.SetSize(14);
NUM1=hexdata[0];//得到0X32(=50D)
NUM2=( NUM1*4*16)/50;//字節(jié)擴展成對應的字,得到字節(jié)50D對應的字4000H的高字節(jié)NUM2=0X40
NUM3=NUM2;//實型變整型
hexdata[11]=NUM3;
hexdata[12]=( NUM1*0X4000- NUM3*256*50)/50+1;
//得到字節(jié)50D對應的字4000H的低字節(jié)NUM3=0X00，

4  軟件調試結果
軟件主界面如圖3所示。

圖3      軟件主界面

運行中，遇到異常情況時，可進行緊急停車。電機在需要單獨啟動時，可以個別設置。需要同步啟動時，可以以廣播式啟動全部電機。變頻器參數可全部或部分上傳，遠程監(jiān)控電機的運行情況。

5  結束語
本軟件通過USS通訊協議，用VC6.0的通訊控件MSCOMM，實現了單臺工控機遠程串口控制多臺變頻器，并且對數據轉換和數據輸出算法進行了改進，有些地方進行了補償，控制更準確，運行狀況比較滿意。

參考文獻
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[2] 孫志剛，朱德森. USS協議和Modbus協議的實現.與[J]. 2001,(5).
[3] [美]Michael J.Young著，邱仲潘等譯.Visual C++ 6 從入門到精通[M]. 北京:電子出版社,1999.
[4] SIEMENS.USS protocol (Universal Serial Interface Protocol), 1994(9)

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