【正文】 到大部分企業(yè)廠家的認(rèn)知與認(rèn)可，而實現(xiàn)其在工業(yè)現(xiàn)場的通訊則讓人更好的實現(xiàn)工業(yè)自動化的 要求。 自 2021 年以來，國內(nèi)監(jiān)控組態(tài)軟件產(chǎn)品、技術(shù)、市場都取得了飛快的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，用戶和應(yīng)用工程師數(shù)量不斷增多。充分體現(xiàn)了“工業(yè)技術(shù)民用化”的發(fā)展趨勢。 在整個自動化系統(tǒng)中，軟件所占比重逐漸提高，雖然組態(tài)軟件只是其中一部分，但因其滲透能力強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)，近年來蠶食了很多專用軟件的市場。因此，監(jiān)控組態(tài)軟件具有很高的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度，是自動化系統(tǒng)進(jìn)入高端應(yīng)用、擴(kuò)大市場占有率的重要橋梁。本課題主要完成用組態(tài)王軟件構(gòu)建上位機(jī)與變頻器之間的通訊，為用戶提供更方便可靠控制操作界面，方便其對工業(yè)現(xiàn)場的信號采集與控制。 本課題主要完成“用組態(tài)王構(gòu)建上位機(jī)與變頻器通訊”，實現(xiàn)人機(jī)操作界面，對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行控制，是對現(xiàn)場型號的采集更加方便、簡潔。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1章 概述 組態(tài)軟件的功能特點(diǎn) 組態(tài)軟件具有數(shù)據(jù)信號采集、腳本功能、控制功能、支持 Ietner及可擴(kuò)展性和開放性等功能特點(diǎn)。 性質(zhì) （ 1） 組態(tài)軟件的的可擴(kuò)展性 可擴(kuò)展性為用戶提供了在不改變原有系統(tǒng)的情況下，向系統(tǒng)內(nèi)增加新功能的能力，這種增加的功能可能來自于組態(tài)軟件開發(fā)商、第三方軟件提供商或用戶自身。增加功能最常用的手段是 ActiveX 組件的應(yīng)用，目前還只有少數(shù)組態(tài)軟件 能提供完備的 ActiveX 組件引入功能及實現(xiàn)引入對象在腳本語言中的訪問。 （ 2） 組態(tài)軟件的開放性 隨著管理信息系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的普及，生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。在生產(chǎn)制造過程中，需要現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行流程分析和過程控制，以實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的調(diào)整和優(yōu)化?，F(xiàn)有的組態(tài)軟件對大部分這些方面需求還只能以報表的形式提供，或者通過ODBC 將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到外部數(shù)據(jù)庫，以供其他的業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用，在絕大多數(shù)情況下，仍然需要進(jìn)行再開發(fā)才能實現(xiàn)。隨著生產(chǎn)決策活動對信息需求的增加，可以預(yù)見，組態(tài)軟件與管理 信息系統(tǒng)或領(lǐng)導(dǎo)信息系統(tǒng)的集成必將更加緊密，并很可能以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與決策功能的模塊形式在組態(tài)軟件中出現(xiàn)。 作者姓名： 論文題目 ：用組態(tài)王構(gòu)建上位機(jī)與變頻器通訊 2 特點(diǎn) （ 1） 數(shù)據(jù)采集方式 大多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集程序，用戶可以進(jìn)行配置。這種情況下，只能由組態(tài)軟件開發(fā)商提供，或者由用戶按照某種組態(tài)軟件的接口規(guī)范編寫。由 OPC 基金組織提出的 OPC 規(guī)范基于微軟的 OLE/DCOM 技術(shù)，提供了在分布式系統(tǒng)下，軟件組件交互和共享數(shù)據(jù)的完整的解決方案。 （ 2） 腳本的功能 腳本語言是擴(kuò)充組態(tài)系統(tǒng)功能的重要手段。因此，大多數(shù)組態(tài)軟件提供了腳本語言的支持。具體的實 現(xiàn)方式可分為三種：一是內(nèi)置的類 C/Basic語言；二是采用微軟的 VBA 的編程語言；三是有少數(shù)組態(tài)軟件采用面向?qū)ο蟮哪_本語言。類 C/Basic 語言要求用戶使用類似高級語言的語句書寫腳本，使用系統(tǒng)提供的函數(shù)調(diào)用組合完成各種系統(tǒng)功能。微軟的 VBA 是一種相對完備的開發(fā)環(huán)境，采用 VBA 的組態(tài)軟件通常使用微軟的 VBA 環(huán)境和組件技術(shù)，把組態(tài)系統(tǒng)中的對象以組件方式實現(xiàn)，使用 VBA 的程序?qū)@些對象進(jìn)行訪問。 （ 3） 對 Ieter 的支持程度 現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)趨向國際化、分布式的生產(chǎn)方式。 Inter 將是實現(xiàn)分布式生 產(chǎn)的基礎(chǔ)。組態(tài)軟件能否從原有的局域網(wǎng)運(yùn)行方式跨越到支持 Inter，是擺在所有組態(tài)軟件開發(fā)商面前的一個重要課題。限于國內(nèi)目前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)控制應(yīng)用的程度，筆者認(rèn)為，在較長時間內(nèi)，以瀏覽器方式通過 Inter 對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控，將會在大部分應(yīng)用中停留于監(jiān)視階段，而實際控制功能的完成應(yīng)該通過更穩(wěn)定的技術(shù)，如專用的遠(yuǎn)程客戶端、由專業(yè)開發(fā)商提供的 ActiveX 控件或 Java 技術(shù)實現(xiàn)。 （ 4） 組態(tài)軟件的控制功能 隨著以工業(yè) PC 為核心的自動控制集成系統(tǒng)技術(shù)的日趨完善和工程技術(shù)人員的使用組態(tài)軟件水平的不斷 提高，用戶對組態(tài)軟件的要求已不像過西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 去那樣主要側(cè)重于畫面，而是要考慮一些實質(zhì)性的應(yīng)用功能，如軟件 PLC，先進(jìn)過程控制策略等 。 變頻器概述 高壓變頻器（在國外稱中壓變頻器）自上個世紀(jì)九十年代中期開始在國內(nèi)推廣，經(jīng)過十年的發(fā)展，今天已經(jīng)普遍為市場所接受，估計今年的市場容量在 10 億到 20 億元人民幣之間。 高壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn) 高壓電機(jī)實現(xiàn)調(diào)速目前主要采用三種主要方式：液力耦合方式、串級調(diào)速和高低方式等。 （ 1） 液力耦合方式 即在電機(jī)和負(fù)載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之 間耦合力的大小，實現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。 （ 2） 串級調(diào)速 串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng)，這樣相當(dāng)于調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻，從而改變了電動機(jī)的滑差；由于轉(zhuǎn)子的電壓和電網(wǎng)的電壓一般不相等，所以向電網(wǎng)逆變需要一臺變壓器，為了節(jié)省這臺變壓器，現(xiàn)在國內(nèi)市場應(yīng)用中普遍采用內(nèi)饋電機(jī)的形式，即在定子上再做一個三相的輔助繞組，專門接受轉(zhuǎn)子的反饋能量，輔助繞組也參與做功，這樣主繞組從電網(wǎng)吸收的能量就會減少，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。 （ 3） 高低方式 由于當(dāng)時高壓變頻技術(shù)沒有解決，就采用 一臺 變頻器 ，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺低壓的變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機(jī)，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機(jī)；另一種辦法，則是繼續(xù)采用原來的高壓電機(jī)，需要在變頻器和電機(jī)之間增加一臺升壓變壓器。上述三種方式，發(fā)展到目作者姓名： 論文題目 ：用組態(tài)王構(gòu)建上位機(jī)與變頻器通訊 4 前都是比較成熟的技術(shù)。液力耦合器和串級調(diào)速的調(diào)速精度都比較差，調(diào)速范圍較小，維護(hù)工作量大，液力耦合器的效率相比變頻調(diào)速還有一定的差距，所以這兩項技術(shù)競爭力已經(jīng)不強(qiáng)了。至于高低方式，能夠達(dá)到比較好的調(diào)速效果，但是相比真正 的高壓變頻器，還有如下缺點(diǎn)：效率低，諧波大，對電機(jī)的要求比較嚴(yán)格，功率較大時（ 500KW 以上），可靠性較低。高低方式的主要優(yōu)勢在于成本較低。 高壓變頻器 產(chǎn)品 目前，主流的高壓變頻器產(chǎn)品主要有三種類型：電流源型、功率單元串聯(lián)多電平型和三電平型。 （ 1） 電流源型 電流源型逆變部分采用 SGCT 直接串聯(lián)解決耐壓問題，直流部分用電抗器儲存能量，目前的技術(shù)水平可以做到 輸出電壓，所以適應(yīng)國內(nèi)大部分電壓為 6KV 這一現(xiàn)狀。電流源型變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)比較低，電抗器的發(fā)熱量較大，效率比電壓源型變頻器低 ，由于采用電流控制，輸出濾波器的設(shè)計比較麻煩，而兩電平 變頻器 的共模電壓和諧波、 dv/dt 問題較突出，所以對電機(jī)的要求較高。雖然電流源型變頻器有可回饋能量的優(yōu)點(diǎn)，但是需要回饋能量的負(fù)載畢竟不是太多，尤其是通用型的變頻器，所以電流源型變頻器的市場競爭能力已經(jīng)逐漸變?nèi)酢? （ 2） 功率單元串聯(lián)多電平型 此變頻器采用多個低壓的功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓，輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM 技術(shù)，可 適用于任何電壓的普通電機(jī)，另外，在某個功率單元出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)時造成的損失。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可迅速替換故障模塊。由此可見，單元串聯(lián)多電平型變頻器的市場競爭力是很明顯的。 （ 3） 三電平型 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 三電平型變頻器采用鉗位電路，解決了兩只功率器件的串聯(lián)的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。三電平逆變器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，雖然為電壓源型結(jié)構(gòu)，但易于實現(xiàn)能量回饋。三電平變頻器在國內(nèi)市場遇到的最大難題是電壓問題，其最大輸出電壓達(dá)不到 6KV，所以往往需要用變通的方法 ，要么改變電機(jī)的電壓，要么在輸出側(cè)加升壓變壓器。 Modbus 通訊協(xié)議 Modbus 協(xié)議簡介 Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu) ,而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。 它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一 Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了 Modbus 協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。 （ 1） 在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸 標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 口是使用一 RS232C 兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控 制器能直接或經(jīng)由Modem 組網(wǎng)。 控制器通信使用主 — 從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。作者姓名： 論文題目 ：用組態(tài)王構(gòu)建上位機(jī)與變頻器通訊 6 典型的主設(shè)備：主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。 主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。 Modbus 協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。 從設(shè)備回應(yīng)消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要 行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。 （ 2） 在其它類型網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸 在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等技術(shù)通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進(jìn)程。 在消息位， Modbus 協(xié)議仍提供了主 — 從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制 器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。 （ 3） 查詢 — 回應(yīng)周期 1）查詢 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼 03 是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。 2）回應(yīng) 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。 兩種傳輸方式 控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ ASCII 或 RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。 所選的 ASCII 或 RTU 方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸 的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網(wǎng)絡(luò)上（象 MAP 和 Modbus Plus） Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。 （ 1） ASCII 模式 當(dāng)控制器設(shè)為在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上以 ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個 8Bit 字節(jié)都作為兩個 ASCII 字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到 1 秒而不產(chǎn)生錯誤。 代碼系統(tǒng) 十六進(jìn)制， ASCII 字符 0...9， A...F 消息中的每個 ASCII 字符都是一個十六進(jìn)制字符組成 每個字節(jié)的位 1 個起始位 7 個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送 1 個奇偶校驗位，無校驗則無 CRC 域是兩個字節(jié)，包含一 16 位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的 CRC，并與接收到的 CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。 作者姓名： 論文題目 ：用組態(tài)王構(gòu)建上位機(jī)與變頻器通訊 8 CRC 是先調(diào)入一值是全“ 1”的 16 位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的 8 位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個字符中的 8Bit數(shù)據(jù)對 CRC 有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。 CRC 產(chǎn)生過程中，每個 8 位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或（ OR），結(jié)果 向最低有效位方向移動，最高有效位以 0 填充。 L