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附件6
基于RS485的风机控制器设计
毕业论文
系部：
电子与通信工程系
学生姓名：
王圣荣
专业班级：
电信10C1
学号：
102221140
指导教师：
李洪群（副教授）
年月日
声明
本人所呈交的基于RS485的风机控制器设计，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
【摘要】
为了满足多风机过滤器单元（FFU）群控系统的需要,设计了一种基于RS2485/Modbus的FFU控制系统。
系统采用RS2485总线组网,并通过Modbus协议实现数据传输和FFU网络群控。
实验和工程应用结果验证了该系统设计方案的正确性和可靠性,为实
现FFU的网络化和自动化控制提供了一种有效的解决途径。
RS485电脑集中控制系统是针对地下停车场、酒店、宾馆设计的一套风机控制器解决
方案。
利用总线集中控制各房间的参数，是一项现代楼宇建筑的最普遍适用的风机系
统在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数
字通信。
在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏
度的RS-485总线标准。
随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统
往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。
在要求通信距离为几十
米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因
此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复
本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经
济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。
关键字：
RS485通信FFU风机控制器
为了满足多风机过滤器单元（FFU）群控系统的需要,设计了一种基于RS2485/Modbus的FFU控制系统。
系统采用RS2485总线组网,并通过Modbus协议实现数据传输和FFU网络群控。
实验和工程应用结果验证了该系统设计方案的正确性和可靠性,为实
现FFU的网络化和自动化控制提供了一种有效的解决途径。
RS485电脑集中控制系统是针对地下停车场、酒店、宾馆设计的一套风机控制器解决
方案。
利用总线集中控制各房间的参数，是一项现代楼宇建筑的最普遍适用的风机系
统在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数
字通信。
在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏
度的RS-485总线标准。
随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统
往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。
在要求通信距离为几十
米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因
此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复
本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经
济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。
关键字：
RS485通信FFU风机控制器
RS485computercentralizedcontrolsystemforundergroundparking,hotel,hotels,designasetoffancontrollersolution.Theuseofbuscentralizedcontrolroomparameter,isamodernbuildingisthemostuniversalfansystemintheautomationfield,alongwiththedevelopmentofdistributedcontrolsystem,thereisanurgentneedforabuscanbesuitableforlongdistancedigitalcommunication.OnthebasisofRS-422standards,EIAhasdevelopedasupportmultiplenodes,longdistanceandreceivingthehighsensitivityoftheRS-485busstandard.Withthedevelopmentofdigitaltechnologyandcomputerincreasinglyextensiveapplication,nowasystemsareoftenformedbymultiplecomputers,needtosolvemultistation,longdistancecommunicationproblems.Attherequestofcommunicationdistanceoftensofmeterstoseveralkilometers,thewideuseofRS-485transceiver.RS-485transceiverusesbalancetransmissionanddifferentialreceiver,thereforehasthesuppressionofcommon-modeinterferenceability,coupledwiththereceiverwithhighsensitivity,candetectaslowas200mVvoltage,sothetransmissionsignalinkilometersbeyondrecovery
Thesystemimprovesthemainventilationequipmentautomationmanagementlevel,effectivelyguaranteethemainventilationequipmenteconomic,reliableoperation,equipmentmanagementandrepairprovidesreliablescientificbasis.
Keywords:
RS485fancontroller。
目录
引言5
一总体方案设计7
（一）系统的构成7
（二）控制系统的要求9
（三）变频调速节能分9
二RS-485接口10
（一）什么是RS-485接口？
10
（二）它具有以下特点10
（三）RS485接口定义图11
（四）RS-485网络的建立12
（五）为扩展的RS-485原理图13
三控制系统硬件设计14
（一）单相ACIM的变压变频调速系统电路结构15
（二）变频调速的原理16
（三）RS-485的硬件设计18
（四）硬件电路的设计18
四 软件设计19
（一）下位机控制软件设计19
1 控制算法19
2 控制软件开发20
（二）上位机控软件设计21
（三）单片机通讯程序设计22
（四）系统可靠性设计及调试24
1系统的可靠性设计24
2软件系统的调试24
3硬件系统的调试25
4软硬件结合调试25
结论与展望25
致谢26
附目录：
26
（一）风机电路图27
（二）RS-485通信程序27
参考文献32
一、引言
作为一种净化设备,风机过滤器单元FFU（fanfilte2ringunit）在各种洁净工程中得
到了广泛应用[1-2]。
大型净化工程常采用多台FFU组合应用,这就需要实现对数台
FFU的集中控制。
RS2485总线通信方式具有结构简单、价格低廉、通信距离较远和数据传输速率适当等优点[3]。
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言,通过此协议,控制器之间、控制器和其他设备之间可以进行通信[4]。
因此,本文将RS2485/Modbus应用于FFU集群控制系统中,实现对多台FFU的集中控制。
本文阐述了该控制系统的组成和实现方法,并给出了软硬件设计。
实验和工程应用结果验证了该方案的正确性和可靠性,为实现FFU集控系统的网络化和自动化提供了一种可行的解决方案。
在工业生产中的锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，风机设备被大量应用，但不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了，在生产过程中，不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度受到限制，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。
在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。
随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。
部分的主要功能如下：
监控系统（SCADA）：
监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控系统：
主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。
它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现
有功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制系统：
与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。
目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。
究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统（变频）器：
与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
一总体方案设计
一系统的构成
在很多实际情况中，上位机和以单片机为主体的下位机所形成的现场数据采集控制系统相距比较远，并且通信环境往往十分恶劣，存在各种各样的干扰，很容易造成数据传输过程的不正常，严重的造成大量电器的损坏。
为了保证高可靠性的通信要求，在长距离传输时选择使用RS485串行总线接I=I标准，能有效地抑制共模信号干扰和很好地防止因距离增加和速率提高而导致的传输信号衰减及共地噪声等干扰所造成的影响。
其系统的总体设计框图如图1所示。
基于RS2485/Modbus的FFU控制系统结构如图1所示。
采用PC机作为上位机、多台FFU控制器作为下位机,组成集中控制系统。
系统采用RS2485串口为总线连接,上位机PC的通信接口RS2232或USB经RS2232/RS2485或USB/RS2485转换器后连接到RS2485通信总线;下位机FFU控制器信号经隔离后由芯片SN65LBC184连接到总线上,采用主从通信方式,每个下位机FFU控制器可以设定系统唯一的通信地址。
图1 系统结构图
二控制系统的要求
本控制系统基于RS485总线设计，采用主控（PC机）—RS232/485转换接口—主路由器—从路由器—FFU控制模块4层结构，主控（PC机）最多可管理9台主路由器，每台主路由器可管理31台从路由器，从路由器最多不超过255台，每台从路由器可控制31台FFU控制模块，系统最多可控制7905台FFU风机。
技术参数
1.工作电压：
220V，±20%，50Hz
2.最大功率：
1500W
3.通讯方式：
RS485
4.工作温度：
0℃~50℃
5.工作湿度：
40~90%RH（40℃不凝霜）
6.存放温度：
-20℃~+70℃
三变频调速节能分
变频调速应用于风机系统电机的自动控制中，其节能效果明显。
由流体力学的基本定律可知：
风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：
Q∝n，H∝n2，P∝n3，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
图2给出了风机中风门调节和变频调速两种控制方式下风路的压力-风量（H-Q）关系及功率-风量（P-Q）关系。
其中，曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。
可以看出，当实际工况风量由Q1下降到Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件下调节风门开度，则工况点沿曲线1由A点移到B点；如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。
显然，B点与C点的风量相同，但C点的压力要比B点压力小得多。
因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。
曲线5为变频控制方式下的P-Q曲线，曲线6为风门调节方式下的P-Q曲线。
可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式（2-l）表示：
（2-1）
（l）其中Q为风机运行时实际风量。
Qe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量。
Pe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。
二RS-485接口
一什么是RS-485接口？
（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
针对RS-232-C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一
二它具有以下特点
（1）RS-485的电气特性：
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RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
（3）RS-485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。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
（5）因RS-485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RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。
三RS485接口定义图
1连接主机端的RS485接口。
----信号定义如下：
----RS485接口--------信号含义
----3-----------BRXD-接收数据
----4------------ARXD+接收数据
----5------------YTXD+发送数据
----7------------ZTXD-发送数据
2-连接从机端的RS485接口。
----信号定义如下：
----RS485接口---------信号含义
----3------------ZTXD-发送数据
----4------------YTXD+发送数据
----5------------ARXD+接收数据
----7------------BRXD-接收数据
RS4859针Sub-D型子连接器的插针分配
插针编号
信号
含义
1
屏蔽
屏蔽
2
M24
24V输出电压的参考点
3
RxD/TxD-P*
接受-/发送数据-P
4
CNTR-P
中继器控制信号-P
5
DGND*
数据参考点
6
VP*
终端电阻供电电压（5V）
7
P24
24V输出电压
8
RxD/TxD-N*
接收-/发送数据-N
9
CNTR-N
中继器控制信号-N
四RS-485网络的建立
RS-485网络通常采用特性阻抗为120Ω双绞线作传输介质，传输速率300b/s~115.2kb/s兼容，为异步半双工结构。
网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如75LBC184标称最大值为64点，MAX1487E标称最大值为128点。
实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际接点数均达不到理论值。
例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上节点数超过50或速率大于9.6kb/s时工作可靠性明显下降。
根据笔者经验，节点数应按最大值的70%选取，传输速率在1200~9600b/s之间选取，通信距离1km以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。
通信距离1km以上时应通过增加中继模块或降低速率的方法提高传输可靠性。
理论上讲，RS-485节点与主干之间距离即T头越短越好。
T头小于10m的节点采用T型连接对网络匹配并无太大影响，可放心使用，但对于节点间距非常小（小于1m，如LED模块组合屏）应采用星型连接，若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。
RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机（PC）应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布，同时位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射。
五为扩展的RS-485原理图
三控制系统硬件设计
单相FFU的风机采用单相交流电机（ACIM）,对FFU的控制主要是实现对FFU变频速度的控制。
本设计采用基于DSPTMS320LF2402为核心的变频调速FFU控制器作为下位机。
该电路包括主电路和控制电路这2部分。
主电路部分为单相交流输入,经AC/DC整流输出直流后,再将直流电压变换成频率和幅值可调的变频变压交流为ACIM供电,实现对ACIM的变频调速;控制电路主要实现对主电路的控制、保护和完成通信等功能。
主电路的单相不控整流电路选用D10XB60整流模块,滤波电容选用400V/470μF的电解电容,两相三桥臂逆变电路选用三菱的PS21564模块,电机为普通单相电机,去掉运转电容,用软件实现副绕组的电流超前主绕组90°。
与传统的带电容运转调速控制相比较,其具有调速范围宽和利用率高的优点。
一单相ACIM的变压变频调速系统电路结构
如图所示。
图2 FFU控制系统结构图
主电路的单相不控整流电路选用D10XB60整流模块,滤波电容选用400V/470μF的电解电容,两相三桥臂逆变电路选用三菱的PS21564模块,电机为普通单相电机,去掉运转电容,用软件实现副绕组的电流超前主绕组90°。
与传统的带电容运转调速控制相比较,其具有调速范围宽和利用率高的优点。
控制电路部分以TI公司生产的DSPTMS320LF2402为控制核心,其控制电源采用开关电源,可提供15V/5V/3.3V的工作电源;采集输入输出的电压电流信号经信号调理后送入DSP的ADC转换模块;DSP的SPWM控制信号经光耦隔离后驱动逆变模块;RS2485通信电路采用SN75LBC184芯片,电路如图3所示。
由于TMS320LF2402采用3.3V工作,芯片电压为5V,因此,在芯片和DSP之间要进行电平转换,本设计采用TI公司提供的典型电平匹配电路和电平转换芯片SN74LVC4245进行电平转换匹配[8-9]。
控制部分中的其他电路还包括信号检测采集电路、按键扫描电路、显示电路和保护电路等。
二变频调速的原理
由电动机转速n=60f1（1-s）/p可知，改变加在定子绕组上的三相电源频率的频率f1，电动机转速跟着变化，这种利用改变电源频率来改变转速的方式称变频调速。
变频电源的主电路多数采用交—直—交电路，如图1所示，它由整流器、中间滤波环节及逆变器等三部分组成。
整流器的作用是将恒压恒频的交流电变换为直流电，逆变器是将直流电调制为频率可变化
的交流电，是变频器的主要部分，中间滤波环节是对经整流后的直流电进行
滤波。
现以120°通电型变频器为例说明变频原理。
逆变器可控硅（晶闸
管）导通顺序是SCR1、2、3、4、5、6；触发间隔为60°电角度；每只元件
导通时间120°电角度；同时导通数2只；逆变器输出为三相交流，互差
120°电角度；三相是对称的。
由于频率f=1/T，故改变频率周期T即可改变
频率大小，50Hz时，T=20ms，若T=10ms，则f=100Hz，T=100ms，则f=10Hz，
实际上是改变给定信号频率发生器频率触发时间硅元件导
通时间周期输出频率f变化。
三相感应电动机电源电压U1，定子电势E1与磁通φm之间存在下述关系：
U1=E1=4.44f1W1Kr1φm。
当U1一定时，下降φm下降，使磁路过分饱和，使励磁电流增加，带负荷能力下降，功率因数与机械效率均下降；当U1一定时，f1上升φm下降，使电机输出转距下降，过载能力降低。
所以要求气隙磁通φm恒定，怎样维持φm常数呢？
由式知，必须U1/f1=常数。
这就是恒磁通变频原则的协调控制条件，即变频的同时要变压，又称变压变频控制。
对交直交变频器，整流器完成变压作用，逆变器完成
变频作用，其输出为二者作用结果，及变压又变频，变压由电压控制回路完成，
变频由频率控制回路完成，二者控制由同一给定值信号给出，示意图如图2所
示。
三RS-48
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