MCGS 與三菱變頻器RS485 通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王福仁

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

在工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要靠三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但大多數(shù)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及調(diào)速由變頻器控制實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)控制過程的自動(dòng)化，多采用PLC 外接控制方式或485 通信方式來控制變頻器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度及運(yùn)動(dòng)過程的自動(dòng)控制，此種方式編程繁瑣，對(duì)大多數(shù)電氣工程人員而言有較大難度[1]。針對(duì)以上情況，為了降低工程人員對(duì)變頻器系統(tǒng)的開發(fā)和使用難度，本文借助電腦采用MCGS 軟件與三菱FR-D700 變頻器直接進(jìn)行485 通信的方式進(jìn)行試驗(yàn)與研究，相對(duì)于變頻器的傳統(tǒng)控制方式，探索編程難度降低、經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約、工作效率大幅提升的新型控制方式。

1 變頻器常見的控制方式

變頻器目前作為工業(yè)中主流的電機(jī)控制與調(diào)速設(shè)備，其控制方式主要有面板操作、外接控制、網(wǎng)絡(luò)通信三種[2]。面板操作也稱為PU 模式，多用于變頻器帶載測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視等；外接控制多與接觸器系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)連接，經(jīng)常用于變頻器單機(jī)運(yùn)行，且存在接線復(fù)雜等特點(diǎn)，多用于控制過程較為簡(jiǎn)單的工程環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)通信相比于以上兩種方式，最大的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了硬件接線，控制系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制變?yōu)閿?shù)字控制，另外，在大型系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)通信可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

不論何種控制方式，都需要確定兩個(gè)問題，一是頻率如何給定，二是以何種方式啟動(dòng)。本文所采用的變頻器為三菱FR-D700 變頻器，面板模式下可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕給定頻率，按下RUN 鍵啟動(dòng)。外接模式下主要通過外接滑動(dòng)變阻器至變頻器模擬量輸入端來調(diào)節(jié)頻率，通過在變頻器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)端子上外接開關(guān)控制變頻器的啟停。網(wǎng)絡(luò)通信模式主要通過特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，來進(jìn)行對(duì)變頻器頻率和啟動(dòng)的控制[4]。

1.1 面板操作模式

面板操作模式主要用于設(shè)定變頻器在各個(gè)模式下所需的特定參數(shù)，也可用于調(diào)試電機(jī)，通過面板給定頻率，完成對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止的控制，此種模式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、接線方便，但該種模式不適用于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行下的變頻調(diào)速控制[5]。

1.2 外部控制模式

外部控制模式是變頻器控制模式中較為常用的一種，可以在變頻器控制端外接控制按鈕、開關(guān)、傳感器、接觸器電路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的自動(dòng)控制。比較常見的控制方式有變頻器正反轉(zhuǎn)控制、電機(jī)多段速調(diào)速、變頻器同步運(yùn)行控制、PID 調(diào)節(jié)等。以上控制方式在實(shí)際使用過程中，存在硬件接線復(fù)雜、后期維護(hù)困難等問題[6]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模式

網(wǎng)絡(luò)通信模式為使用變頻器本體上的PU 連接器（RS-485 通信）及通信選件，通過通信電纜與計(jì)算機(jī)、可編程控制器、觸摸屏連接，通過網(wǎng)絡(luò)向變頻器發(fā)送和傳輸控制命令[7]，通過RS-485 接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這樣在一些不適合人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作的場(chǎng)合，也可以很容易地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。與普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬件連接方式相比，通過通信模式連接的變頻器系統(tǒng)可以在較大程度上降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)長(zhǎng)、提高生產(chǎn)效率、減少運(yùn)行成本。

通過對(duì)幾種控制方式進(jìn)行對(duì)比，本次任務(wù)實(shí)施過程中采用網(wǎng)絡(luò)通信模式。

2 系統(tǒng)控制要求

為了構(gòu)建觸摸屏畫面、硬件接線等，需要觸摸屏實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）設(shè)定變頻器的運(yùn)行頻率；

2）可對(duì)變頻器進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制，并能夠隨時(shí)停止系統(tǒng)；

3）可讀取并顯示變頻器的實(shí)時(shí)頻率、電流、電壓、狀態(tài)等參數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)485 轉(zhuǎn)接器對(duì)變頻器與PC 的網(wǎng)絡(luò)連接，完成系統(tǒng)的硬件搭建。

3.1 FR-D700變頻器通信端口

FR-D700 變頻器采用了PU 接口，可以通過電腦等進(jìn)行通信運(yùn)行。用戶可以使用通信電纜連接PU 接口與個(gè)人電腦，通過客戶端程序?qū)ψ冾l器進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)視以及參數(shù)讀寫[8]。

3.1.1 PU接口

FR-D700 變頻器PU接口如圖1所示。

圖1 FR-D700變頻器PU接口外觀

3.1.2 PU接口插針排列

FR-D700 變頻器PU 接口與通用網(wǎng)口非常相似，普通網(wǎng)線接頭可以直接插入，其插針共有8 根，在進(jìn)行485通信時(shí)，其具體功能如表1所示。

表1 FR-D700變頻器PU插針具體功能

3.2 ZK-U485轉(zhuǎn)換器

因目前大多數(shù)辦公電腦沒有232 或485 通信接口，而USB 接口較為豐富，因此需要通過485 轉(zhuǎn)USB的通信線將變頻器與電腦進(jìn)行連接，其中，USB 口連接電腦，485 端口連接變頻器，本文采用的轉(zhuǎn)換器為ZK-U485。

ZK-U485采用CH340芯片，外觀如圖2所示，主要用于計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等與工業(yè)設(shè)備的485通信。該款轉(zhuǎn)換器兼容多種操作系統(tǒng)，支持熱插拔，最高傳輸距離可達(dá)1 200 m。ZK-U485硬件詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 ZK-U485轉(zhuǎn)換器硬件參數(shù)

圖2 ZK-U485外觀

通過外觀可以觀察到ZK-U485 共有5 個(gè)外接端子，其詳細(xì)功能如表3所示。

表3 ZK-U485端子功能

3.3 硬件接線

要實(shí)現(xiàn)通過MCGS 控制變頻器的功能，必須對(duì)變頻器與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行硬件連接。將ZK-U485 的USB 端口連接至個(gè)人計(jì)算機(jī)USB 接口，將ZK-U485的1～5 號(hào)端子通過網(wǎng)線與變頻器連接，硬件接線情況如圖3所示。因485通信為半雙工通信，變頻器的3號(hào)端與5 號(hào)端分別為變頻器的接收A 端和發(fā)送A 端，將3號(hào)端和5號(hào)端串聯(lián)后接至轉(zhuǎn)換器的A端，同理，將變頻器的4號(hào)端和6號(hào)端串聯(lián)后接至轉(zhuǎn)換器的B端。

圖3 硬件接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

FR-D700 變頻器與觸摸屏軟件進(jìn)行485 通信時(shí)，除了完成硬件接線外，還要根據(jù)變頻器的工作模式及應(yīng)用環(huán)境選擇合適的參數(shù)，這樣才能對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[9]。變頻器需選用通信模式，因此將模式選擇參數(shù)79 置為0；在通信過程中設(shè)定波特率為9 600 bps，采用的校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn)，選用的通信協(xié)議為三菱變頻器專用協(xié)議。具體的參數(shù)設(shè)置及功能如表4所示。

表4 FR-D700變頻器參數(shù)設(shè)置

4.2 ZK-U485轉(zhuǎn)換器參數(shù)設(shè)置

ZK-U485 轉(zhuǎn)換器在使用前必須要安裝驅(qū)動(dòng)，安裝完成后，在電腦設(shè)備管理器端口中找到CH340 端口，即COM3 端口（端口號(hào)與所插USB 接口有直接關(guān)系），如圖4 所示。雙擊COM3，設(shè)置參數(shù)，所設(shè)置參數(shù)與變頻器通信參數(shù)一致。

圖4 ZK-U485轉(zhuǎn)換器參數(shù)設(shè)置

4.3 Modbus寄存器

因本次通信為Modbus485 通信，故需要對(duì)變頻器所用到的寄存器變量進(jìn)行選擇；同時(shí)，對(duì)變頻器狀態(tài)能夠控制和檢測(cè)的寄存器變量——變頻器狀態(tài)/控制輸入命令進(jìn)行分析和說明。

4.3.1系統(tǒng)環(huán)境變量

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選取了如表5 所示的環(huán)境變量，以下變量均為16 位無符號(hào)的字，除變頻器復(fù)位和參數(shù)全部清除只能寫入外，其余變量均可進(jìn)行讀取和寫入的操作。

表5 系統(tǒng)環(huán)境變量

4.3.2變頻器狀態(tài)/控制輸入命令

要對(duì)變頻器進(jìn)行控制，必須了解變頻器狀態(tài)/控制輸入命令對(duì)應(yīng)的變量（40009），該變量有16 位長(zhǎng)度，除缺省位外每一位都有兩種功能，可以作為控制命令對(duì)其寫入，也可以作為狀態(tài)對(duì)其讀取，即一字雙用，具體如表6 所示。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用0、1、2、15 位，對(duì)其進(jìn)行控制和讀取。例如，若要實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)指令，則在正轉(zhuǎn)按鈕控件的腳本程序中寫入腳本“控制輸入指令=2”；若要反轉(zhuǎn)，則可以在按鈕控件的腳本程序中寫入“控制輸入指令=4”。對(duì)系統(tǒng)變量如電壓、電流等的監(jiān)視只需讀取即可。

表6 變頻器狀態(tài)/控制輸入命令

4.4 MCGS控制實(shí)現(xiàn)

4.4.1畫面構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，MCGS 畫面需具備控制變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的功能，因此設(shè)計(jì)3 個(gè)控制按鈕；同時(shí)還需設(shè)定變頻器頻率，通過設(shè)計(jì)頻率輸入框輸入數(shù)值，可使變頻器處在對(duì)應(yīng)頻率運(yùn)行。除對(duì)變頻器進(jìn)行給定頻率和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制外，還需對(duì)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，本界面對(duì)變頻器的運(yùn)行頻率、輸出電壓、輸出電流等信息也進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，還可通過讀取變頻器狀態(tài)的值，來反饋?zhàn)冾l器運(yùn)行情況。構(gòu)建完成后的畫面如圖5所示。

圖5 MCGS畫面

4.4.2變量連接

根據(jù)組態(tài)畫面所需的構(gòu)件及功能，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對(duì)象，如圖6 所示。將創(chuàng)建的對(duì)象與畫面中的構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫對(duì)象創(chuàng)建

圖7 系統(tǒng)變量連接

4.4.3設(shè)備組態(tài)

進(jìn)入MCGS 設(shè)備窗口，在通用串口父設(shè)備下新增——莫迪康ModbusRTU，根據(jù)通信參數(shù)要求，對(duì)父設(shè)備屬性進(jìn)行設(shè)置，如圖8 所示[10]。在子設(shè)備窗口中將系統(tǒng)變量與數(shù)據(jù)庫對(duì)象關(guān)聯(lián)到一起，如圖9所示。

圖8 設(shè)備窗口屬性設(shè)置

圖9 系統(tǒng)變量與數(shù)據(jù)庫對(duì)象關(guān)聯(lián)

4.4.4系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)設(shè)計(jì)好的組態(tài)畫面進(jìn)行組態(tài)檢查，按F5 鍵進(jìn)入畫面下載界面，默認(rèn)為模擬運(yùn)行，如圖10所示。

圖10 軟件下載界面

點(diǎn)擊啟動(dòng)運(yùn)行后，設(shè)定運(yùn)行頻率為50 Hz，運(yùn)行模式為正轉(zhuǎn)模式，可采集到變頻器實(shí)時(shí)運(yùn)行的輸出電壓、電流和頻率，如圖11所示。

圖11 變頻器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集

5 結(jié)語

本項(xiàng)目在485 通信的基礎(chǔ)上，通過方案選擇、硬件設(shè)計(jì)及MCGS 組態(tài)畫面構(gòu)建，成功實(shí)現(xiàn)了MCGS軟件對(duì)變頻器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制，并采集到了變頻器的實(shí)時(shí)頻率、電壓、電流、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，整體設(shè)計(jì)穩(wěn)定可行，省去了PLC 的控制環(huán)節(jié)，極大地降低了編程難度，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。