基于VB的上位机变频调速监控系统的开发.docx
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基于VB的上位机变频调速监控系统的开发
毕业设计
中文题目基于VB的上位机
变频调速监控系统的开发
英文题目TheDevelopOfUpperComputer
FrequencyControlMonitorSystemBasedOnVB
系别：
电子与电气工程系
专业年级：
05电气工程及其自动化
姓名：
潘才保
学号：
2005429001
指导教师：
彭彦卿
职称：
副教授
2009年5月19日
基于VB的上位机变频调速监控系统的开发
摘要：
现在很多大型企业用组态软件构建集散控制系统（DCS），以提高生产效率。
但组态软件不仅昂贵，而且一般要再通过编程来实现生产报表生成等功能。
对中小企业而言，采用组态软件，成本高。
鉴于工厂中的控制最终控制对象大都是电机，为此，选“基于VB的上位机变频调速监控系统”作为毕业设计课题。
首先,设计了测量FX-2NPLC编程口通信协议的方法，并在测试过程中,发现三菱编程口存在两套功能指令，用实验证明了一些期刊上的错误说法，最后,还测出了PLC两套指令对应的内部地址寄存器的地址偏移量，通过这两套指令码与地址偏移量，实现了对FX-2NPLC内部所有寄存器的控制。
对于上位机与变频器的通信，设计了一个通信协议，实现了变频器的大部分参数的在线读写功能。
利用旋转编码器与PLC高速计数器,实现了电机转速的测量，并通过D/A模块与PLC的PID指令构建了一个PID调速系统。
在上位机方面,用VB编程实现了实时数据采集、画面监控、报表等功能，并采用特殊的通信协议,解决了通信可靠性差deng问题。
长期运行表明，该系统具有可靠性高，在线远程控制功能强，人机界面友好的优点。
关键字：
上位机,PLC通信协议,PID,变频器
TheDevelopOfUpperComputerFrequency
ControlMonitorSystemBasedOnVB
Abstract:
TherearelotsofenterprisesuseconfigurationsoftwaretosetupDCSforboostingproductionefficiency.Howeverthesoftwareisexpensive,andusuallywehavetorealizethereportgenerationfunctionthroughprogrammingbyourselves,sothecostperformanceislowfortheenterprise.Consideringthemostcontrolofplantisforthemotoratlast,weselecttheproblemthedeveloplfuppercomputerfrequencycontrolmonitorsystembasedonVB.
WedesignthemethodofmeasurethecommunicationprotocoloftheprogrammingportofFX-2NPLC,andfoundouttherearetwokindsfunctioncode,usetheexperimentprovetherearesomeerrorsonsomeperiodicals.AtlastwealsofoundtwokindsaddressoffsetofallregistersofPLCreferencetothetwokindsoffunctioncode.Wedesignacommunicationprotocolforthecommunicationbetweenuppercomputerandconverter,realizethefunctionthatwriteorreadmostparametersonline.WeusetherotationencodeandthehighcountingfunctionofPLCtomeasurethespeedofmotor,andusetheD/AmodelandPIDcodeofPLCbuildaPIDspeedgoverningsystem.WerealizetheSCADA、reportforms、monitorscreenfunctionthroughprogrammingonuppercomputer,anduseaspecialmethodtosolvetheproblemoflowreliabilityofsystem.Itindicatethesystemhaveahighreliability,astrongremotecontrolfunctiononline,andhaveafriendlyscreenthroughalongtimetesting.
Keyword:
UpperComputer,CommunicationProtocolofPLC,PID,Transducer
目录
摘要：
1
第1章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2电机调速研究国内外概况1
1.3组态软件国内外概况3
1.4课题研究内容和目标3
1.4.1本次设计需要解决问题3
1.4.2系统的结构4
第2章通信协议6
2.1VBMSComm控件6
2.1.1MSComm控件加载6
2.1.2MSComm控件主要属性介绍7
2.1.3串口设置7
2.1.4在程序中打开com口程序代码8
2.2FX-2N编程口通信协议测定方法设计8
2.2.1通信帧8
2.2.2通信延时与校验10
2.2.3地址偏移量测定方法设计10
2.2.4通信帧举例11
2.3三菱500系列变频器通信协议13
2.3.1S520变频器通信中有关的参数设定13
2.3.2变频器与PLC的通信帧格式14
第3章转速测量设计及变频器速度设定设计16
3.1旋转编码器16
3.1.1增量型编码器（旋转型）原理16
3.1.2绝对式编码器18
3.1.3绝对型编码器（旋转型）原理18
3.1.4从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器18
3.1.5编码器与PLC高速计数连线设计19
3.2D/A模块使用说明19
3.2.1FX0N-3A特点20
3.2.2FROM/TO指令20
3.2.3写特殊功能模块（TO指令）21
3.3PID控制21
3.3.1FX-2NPID指令22
3.3.2PID参数整定方法及设计24
第4章系统设计26
4.1系统结构及PLC寄存器分配26
4.2系统设计说明27
4.2.1报表设计27
4.2.2PLC计速及PID设计28
4.3PC机通过PLC与变频器的通信设计29
4.4控制画面设计33
4.4.1频率画面设定画面设计33
4.4.2频率设定33
4.5实时监控曲线设计34
4.6系统可靠性调试35
第5章总结与展望37
致谢38
参考文献39
第1章绪论
1.1课题研究背景
中国是一个世界工厂，这两年我国的国民生产总值也超过了德国，成为世界第三大经济实体。
相应的风机、泵类设备的应用也越来越多，但是其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到了生产成本的7%~25%，这无疑是一笔不小的生产费用开支。
目前大量应用风机和水泵的行业主要有煤矿、自来水厂、农业灌溉等，中国是一个人均资源非常少的国家，如何减少风机泵类电机的能源消耗，已经上升到关系国家发展的大问题。
其能耗问题，除了跟其电动机性能有关系外，主要还跟他的运行控制过程有关系。
如在供水系统中，一个大型的给水工程往往有1或2个以上的取水泵站，几个中间加压泵站和综合的净配水厂组成。
大、中型城市的供水系统，往往由多水源、多泵站、多管道和多用户组成。
一个大型的水泵站，又是多台机组并联运行。
装机容量是按最不利的条件下，最大是流量和所需扬程来决定的。
这时只有采用水泵机组变频的无极调速技术，才能连续的改变各水泵的工况，使其等效特性曲线适应特定管道网用水量的变化，维护管网的压力恒定，最大限度地提高各水泵机组效率，达到理性的节能效果。
这时就不仅要控制风机的转速，还要实时了解系统中的各个参数。
这时如果上位机能过实时采集系统中的各种参数，并与变频器通信以控制电机的转速，从而控制整个管网的压力，就可以给企业带来很高的经济效益。
目前世界知名大公司，都有应用组态监控软件来管理生产，而且都有开发了自己的组态软件，像GE，西门子等。
国内也有很多公司在开发组态软件，国内的组态软件产品主要有MCGS，力控，组态王等。
因为组态软件拥有强大的通信功能，灵活的监控画面，因此较大的企业都他来做DCS或是FCS。
在中国目前有专家预测变频器还有1000多个亿的市场，因此对电机的调速监控问题是中国很多企业的问题。
在组态软件方面，我们国家刚处于起步阶段，由于市场竞争的日益激烈，企业也不得不考虑自己的效益问题，这也是组态软件在我们国内还不是很流行的主要原因，因此应用VB来编一个适应企业生产需要，又不用很大成本的软件，相信在中国的市场很大。
1.2电机调速研究国内外概况
交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。
但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以,交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。
20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。
人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。
因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。
早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。
交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。
20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。
由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。
20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。
变频调速具有高效率、大范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。
交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。
目前变频调速的主要方案有：
交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。
这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。
随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，绝缘栅极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断的完善。
随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论正向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。
在工业上，由于生产效率和市场竞争的激烈，要求上位机能过对整个生产过程进行远程监控。
他能过给企业节省更多的生产成本，同时由于能过实时监控生产过程，产品的质量也能过得到保证，并减少能源的浪费。
1.3组态软件国内外概况
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已日臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域渗透的工程中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
但是其缺点也是明显的，组态软件是一个庞大的系统工程，其产品的价格昂贵，限制一些中小企业的对组态软件的应用。
对与中小企业来说，他们的系统比较小，基本上都上位机来管理生产数据，并在必要时实现对生产的远程监控。
因此应用VB开发一些小型监控软件，在中国的市场应该还很大的。
目前，国际上影响比较大的产品有：
Intouch，Wincc，Ifix,Cimplicity等，国内的组要时组态王，MCGS,力控。
1.4课题研究内容和目标
1.4.1本次设计需要解决问题
（1）三菱FX-2NPLC的编程口通信协议
（2）FX-2N编程口，内部寄存器地址偏移量
（3）应用旋转编码器测量电机转速
（4）用D/A模块与变频器构成一个闭环调速系统
（5）PC机与变频器，PLC通信
在这个课题中我们研究怎样把PLC，变频器，电动构成一个闭环的调速系统，同时可以在上位机上控制电机的运行，闭环调速中的PID参数，以及变频器的输出运行频率。
在上位机上通过实时曲线监控电机转速，并用Excel表格来记录生产中的各种数据，在本课题中我们只记录电机的转速，以及记录时刻。
1.4.2系统的结构
本次课题研究的“基于VB的PC机上位机变频调速监控系统的开发”主要包括以下几方面内容，其结构原理图如图1-1。
（1）利用PLC的高速计数器对旋转编码器的输出脉冲计数，并换算出转速存在相应寄存器中，作为PID的PV值。
（2）将PID输出值，通过D/A模块转换成模拟量，然后输送到变频器的外部运行频率设定端子（2-5）上，以控制变频器的运行频率。
PID设定值可以直接在上位机给定，或在PLC上电初始化时给出。
（3）设定PLC中PID的参数，然后用PID指令，完成转速控制。
（4）用VB在上位机上编写各种控制界面。
如PID参数设置，变频器的参数设置，实时曲线，报表制作等。
（5）结合PC机与PLC编写PC机，PLC与变频器的通信，主要是修改变频器的参数。
具体方法是在在上位机给出PLC与变频通信的整个数据帧，还有数据帧的大小，在PLC中则根据数据帧大小，做出相应的处理。
因为PLC用无协议指令RS发送出去的数据要是连续的，因此当数据帧大小不一样时，他们的和校验码，数据等就要放在不同的位置，这样就要通过判断数据帧大小来设定从PLC发送出去的数据帧大小。
图1-1系统原理图
第2章通信协议
2.1VBMSComm控件
应用VisualBasic开发windows的测控应用软件使用简单、上手容易，开发效率高，软件界面设计便捷，编程工作量较小，开发周期短，特别适合非计算机专业的工程技术人员掌握和使用。
Visualbasic提供了MSComm串口通信控件，MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。
它是一个ActiveX控件，可使技术员不必花时间去了解较为复杂的API函数，缩短开发周期。
它提供了两种处理通信问题的方法：
一个是事件驱动（Event－driven），一个是查询。
编程人员只要对该控件的属性和事件进行相应的编程即可。
在通信硬件方面，现在中小企业装在车间的计算机都是台式PC机或是工控机，做一些生产报表和考勤，他们上面都有RS-232通信口。
虽然FX-2N的编程口是RS-422的，但其编程电缆应经有RS232—RS422转换接口，故只要一根FX-2NPLC编程电缆就可以实现PLC与上位机的通信。
2.1.1MSComm控件加载
（1）单击“工程”中的“部件”。
（2）在弹出的对话框中做如图2-1的选择。
图2-1MSComm控件选择
（3）单击确定后，工具箱窗口中将多出一个如图2-2的图标。
图2-2MSComm控件图标
2.1.2MSComm控件主要属性介绍
●Commport：
设置或返回串口号。
●Settings：
以字符串的形式设置或返回串口通信参数。
●Portopen：
设置或返回串口状态。
●InputMode：
设置或返回接收数据的类型。
●Inputlen：
设置或返回一次从接收缓冲区中读取字节数。
●InBufferSize：
设置或返回接收缓冲区的大小，缺省值为1024字节。
●InBufferCount：
设置或返回接收缓冲区中等待计算机接收的字符数。
●Input：
从接收缓冲区中读取数据并清空该缓冲区，该属性设计时无效，运行时只读。
●OutBufferSize：
设置或返回发送缓冲区的大小，缺省值为512字节。
●OutBufferCount：
设置或返回发送缓冲区中等待计算机发送的字符数。
●Output：
向发送缓冲区发送数据，该属性设计时无效，运行时只读。
●Rthreshold：
该属性为一个阀值。
当接收缓冲区中字符数达到该值时，MSComm控件，设置Commevent属性为ComEvReceive，并产生ONcomm事件。
用户可在ONcomm事件处理程序中进行相应处理。
若Rthreshold属性设置为0，则不产生ONcomm事件。
●Sthreshold：
该属性亦为一个阀值。
当发送缓冲区中字符数小于该值时，MSComm控件设置Commevent属性为ComEvSend，并产生ONcomm事件。
若Sthreshold属性设置为0，则不产生ONcomm事件。
要特别注意的是仅当发送缓冲区中字符数小于该值的瞬间才产生ONcomm事件，其后就不再产生ONcomm事件。
●CommEvent：
这是一个非常重要的属性。
该属性设计时无效，运行时只读。
一旦串口发生通信事件或产生错误，依据产生的事件和错误，MSComm控件为CommEvent属性赋不同的代码，同时产生ONcomm事件。
2.1.3串口设置
三菱PLC默认的串口通信设置为:
数据位7位;停止位1位;波特率9600b/s;偶校验，其通信帧如表2-1。
所以要将MSComm控件中的settings设为”9600,e,7,1”,MSComm控件的inputmode默认为二进制流，故不用更改改。
其他参数设置可根据实际应用来设置。
如图2-3。
表2-1通信帧格式
起始
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
偶校验
停止
图2-3MSComm控件参数设置图图2-4试验调试界面
2.1.4在程序中打开com口程序代码
PrivateSubForm_Load（）
MSComm1.PortOpen=TRUE
EndSub
试验调试界面设置如图2-4。
2.2FX-2N编程口通信协议测定方法设计
三菱FX-2N编程口的通信协议虽然没有公布，但是已经被一些PLC爱好者测出，并公布到网上，所以现在也相当于是公布了，但是他的各种寄存器的地址偏移量并没有公布，在一些已经公布的论文中，公布的也不很全面。
因此我们在这根据通信协议测定他们偏移量。
2.2.1通信帧
（1）通信请求
FX-2N在与他编程软件进行通信时，要先经过一个“握手”过程，然后在判断是否发送通信帧。
即编程计算机要向PLC写数据时，先发送一个请求信号（ENQ），PLC在准备好通信时，回复一个通信准备好信号（ACK）,否则回复（NAK）.通信控制符如表2-2。
表2-2通信控制字符
控制字符
ASCII码
功能
ENQ
05H
计算机发送数据请求
ACK
06H
PLC对ENQ确定之响应
NAK
15H
PLC对ENQ否定之响应
STX
02H
通信帧开始标志
ETX
03H
通信帧结束标志
（2）通信帧格式
FX-2N采用面向字符的传输方法,即把要发送的数据转换成其ASCII码，如要发送“1”时，输出的是31H。
FX-2N编程口的通信指令有两套，两套指令（见表2-4，2-5）的寄存器偏移量各不相同，但其通信帧都一样，如表2-3。
表2-3通信帧
STX
起始标志占一个字节
CMD指令码1一个字节，指令码2占两个字节
地址+[读/个数]+[要写入数据[一]
ETX结束标志占一个字节
Sum和校验高位，占一个字节
Sum和校验低位，占一个字节
注：
[一]根据不同指令来进行取舍。
读写的个数是按字节数来算，而非按寄存器的个数来算。
如要读取D100寄存器的数据，其个数为2。
表2-4指令码一
命令
命令码
操作对象
命令功能
读命令
0
X,Y,M,S,T,C,D
读取线圈，继电器状态，寄存器内容
写命令
1
X,Y,M,S,T,C,D
将数据写入寄存器，状态寄存器，线圈
强置ON
7
X,Y,M,S,T,C
对线圈，继电器强置为1
强置OFF
8
X,Y,M,S,T,C
对线圈，继电器强置为0
表2-5指令码二
命令
命令码
操作对象
命令功能
读命令
E0
X,Y,M,S,T,C,D
读取线圈，继电器状态，寄存器内容
写命令
E1
X,Y,M,S,T,C,D
将数据写入寄存器，状态寄存器，线圈
强置ON
E7
X,Y,M,S,T,C
对线圈，继电器强置为1
强置OFF
E8
X,Y,M,S,T,C
对线圈，继电器强
升级会员 