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基于labview的工控机与变频器间通讯的设计和实现
来源：本站整理
作者：秩名日 13:56
[导读] 本文以台达vfd-b系列变频器为例，介绍一种基于labview软件利用串口实现工控机与变频器间通讯，进行频率参数设定、监视输出电流的方法。
　　1 引言
　　风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，而其中轴承性能的好坏对齿轮箱的性能起着至关重要的作用。根据用户要求，齿轮箱轴承出厂前要在模拟实际工况的试验机上进行测试。即齿轮箱轴承需在不同转速、载荷下进行性能试验和寿命试验。齿轮箱轴承转速的改变是由变频器驱动变频电机实现的。变频器运行频率的设定有三种方法：一是通过面板手工调节，这种方式已经不能满足频率频繁变化时使用需要。二是通过变频器的外部接口，外接模拟信号来控制设定频率。这种方式虽然简单，但存在设定频率不准确的问题，当外接模拟信号波动时，变频器的设定频率也随之变化。三是通过变频器的通讯口，利用参数设定指令来进行频率参数设定。这种方法能准确地控制变频器的频率。下面以台达vfd-b系列变频器为例，介绍一种基于labview软件利用串口实现工控机与变频器间通讯，进行频率参数设定、监视输出电流的方法。
　　2 通讯系统总体设计
　　本系统所采用的通讯方式是利用美国ni公司的工控机与台达vfd-b系列变频器的rs-485串口通讯。工控机的控制器为 ni pxi-8106，自带1个rs-232通讯串口。由于系统还需要与仪表和plc通讯，而且变频器、仪表和plc三者之间的通讯协议不同，工控机另配有1 块串行通讯模块ni pxi-8431（含有两个rs-485串口）。使用工控机rs-232串口和台达变频器的rs-485串口通讯，中间需加rs-232/rs-485转换器，如图1所示。如果使用串行通讯模块ni pxi-8431的rs-485串口，须用db-9连接器连接工控机的rs-485串口与变频器的rs-485串口，如图2所示
　　图1 系统通讯示意图
　　图2 系统通讯示意图
　　3 系统硬件接口
　　台达vfd-b系列变频器的通讯口引脚定义、db-9连接器引脚定义、rs-232/rs-485转换器的接线端子排列见表1。
　　表1 接线端子排列
　　台达vfd-b 系列变频器通讯口使用的是水晶头，只需压两根线，为了减少干扰，通讯线最好使用双绞屏蔽线。使用工控机的rs-485通讯口时，须把db-9的4脚与8脚短接，然后连接变频器的4：sg+，把db-9的5脚与9脚短接，然后连接变频器的3：sg-，见图3。使用工控机的rs-232通讯口时，接线方法是把 rs-232/rs-485转换器的d+/a连变频器的4：sg+，d-/b连变频器的3： sg-，见图4。
　　图3 db-9与变频器rs485连线图
　　图4 rs232/rs485转换器与变频器rs485连线图
　　3．1 通讯格式说明
　　在本系统中，工控机与变频器通讯，工控机一侧不仅要设置相应的通讯参数，如通讯地址，波特率，数据位，停止位，变频器一侧也有一些参数需要设置。两者之间的通讯参数设置应一致。
　　3．2 台达变频器的参数设置
　　台达变频器的参数设置如表2所示。
　　表2 变频器通讯参数设置
　　参数设置完以后，变频器需要重新上电，新的参数才会被应用。
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基于虚拟仪器的变频器测试系统的设计与实现
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基于LabVIEW的PC机与变频器的串口通信
[导读]1 引言近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频器调速越来越被工业上所采用。在摩擦学测试系统中，用变频器控制电机实现试验设备的速度调节已
1 引言近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频器调速越来越被工业上所采用。在摩擦学测试系统中，用变频器控制电机实现试验设备的速度调节已经成为一种非常重要和有效的控制手段。由于摩擦学试验机和摩擦学测试的特殊性，摩擦学试验中的变频器调速有着不同于一般工业变频控制的特点。一方面，要求变频器调速能够在较大范围内满足摩擦学测试的要求，使得试验结果具有可比性；另一方面，摩擦磨损试验过程中，对控制有一些特殊的要求，例如需要特殊的速度、运动的非周期性以及设备的快速启动和停止等。在一些疲劳试验中，甚至要求电机进行寸动或者往复运动以检测材料的性能，有的试验现场对人体的损害比较大，需要远距离进行控制和检测电机的运转情况。所以，必须利用计算机程序控制变频器实现一些特殊控制功能。这就要求计算机与变频器之间存在有效的通讯功能。本文针对摩擦学试验研究的特点，采用广泛使用的LabVIEW编程语言，开发用于东元7200MA变频器运行频率的控制串口通讯程序。2 通讯系统总体设计串行通信是一种常用的数据传输方法，占用的通信线路少、成本低，在工程通信方式上占有重要地位。本文以内置RS 485通讯接口的东元7200MA变频器为研究对象，设计基于LabVIEW的控制变频器串口的通讯系统。图1所示为系统总体结构框图。计算机通过RS 485通信口与变频器相连，对变频器进行控制。RS 485串行总线采用平衡发送和差分接收的方式传输信号，具有传输距离远(约1 219 m)、抗干扰能力强等特点。而且总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。由于目前PC机普遍只配有RS 232串口，所以在计算机上连接一个RS 232／485转换器，然后再与变频器的串口相连。将各种动作按照通讯协议编写成命令，发送给变频器，就达到了通过PC机来控制变频器的目的。同样，PC机读取数据也必须由变频器根据RS 485通讯协议进行识别和响应才能完成。3 软件实现方案目前，串口通信程序的开发在Windows操作系统下一般用VB，VC，Delphi等编写。当采用VB，VC开发程序时，操作者不得不面对非常繁琐的API函数编程；而Delphi没有自带的串口通信控件，在它的帮助文档里也没有提及串口通信，给编程人员带来许多不便。LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于图形化的编程语言，它内置数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试功能，包括VISA，GPIB，RS 232，DAQ等模块和基本分析库；提供强大的数据分析、处理、显示功能的同时还保证系统灵活性；LabVIEW具有开放的系统互连性及广泛的硬件支撑，具有DDL和CIN接口，可以与多种设备直接连接；流程图式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度，缩短开发周期；界面良好、易于理解，方便调试和维护，用它来实现PC机与变频器的串口通信是最为简捷的方法之一，已经具有较广大的用户群。设置东元7200MA系列变频器所涉及的主要参数有端口号、波特率、数据位等，具体说明如表1所示。本程序采用中文版LabVIEW 8.2进行通讯编程，在编写程序之前，安装的NI VISA驱动必须和LabVIEW程序版本匹配，避免编程出错。从变频器设置转数到启动再到停止有一个顺序和时间过程，因此本程序主要采用顺序结构和层叠式结构实现。具体步骤如下：(1)初始化串口，利用VISA Configure SerialPort.VI设置PC与变频器通信的基本参数：端口号、波特率、奇偶校验、数据位、停止位、缓冲区大小；(2)利用VISA Write.VI写端口，根据变频器的通讯协议把设定转数的动作参数变成命令符，然后把整个命令帧以ASCII码字符串的形式发送到串口；(3)利用Wait(ms).VI延时等待，主机发送命令到变频器，变频器判断命令正确后将数据返回给主机需要一定时间，故这一步需要设置延时等待。等待时间可根据变频器的响应时间确定，也可以通过LabVIEW的中的工具确定出程序运行时间来设置等待时间；(4)再利用VISA Write.VI写端口，把启动的动作参数写成命令帧并以字符串形式写入VISA Write.VI的缓冲区。以上4步即可完成变频器以一定的转数转动。写命令到串口的过程在While循环里进行，变频器启动后不需要停止，可以直接连续地设置变频器的转数来更改电机转动速度，While循环内采用延时等待处理，延时500 ms；同理，停止命令以一个层叠式顺序结构和上面(2)，(3)两步命令层叠进行，同样先需要设定变频器转数为零，然后延时等待，最后把停止命令以字符串形式发给串口，完成变频器的停止动作；最后，利用VISA Close.VI关闭串口；串口不再使用时需要关闭，使其处于空闲状态，便于下一次打开串口。整个串口通信完毕后用Exit LabVIEW.VI退出此程序。程序的主要代码框图如图2所示。&程序的一个很大的优点在于，将变频器速度控制与变频器的启停控制整合到一起，使得程序操作简单，更加优化合理。程序中采用了调用子VI的方法，大大简化了流程图的复杂程度，提高可读性，方便查看代码和调试程序。由于变频器接受的数据格式为ASCII码字符串，所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换，这里子VI的作用就是将各种参数值转换成ASCII码字符串，然后写入串口。以变频器的启动为例，根据东元变频器的启动数据格式，以十六进制形式发送1 ，利用反馈节点将此字符串拆分成字符串数组，再转换为数值数组，然后利用字ByteArray To String.VI模块，将字节数组转换成ASCII码字符串。变频器接受ASCII码后经过算法还原，然后去执行相应的操作。就可以启动变频器，程序代码框图如图3所示。&程序中局部变量的使用也大大简化了程序开发的复杂程度，和Visual C++等基于文本的编程语言不同，LabVIEW中的各个对象之间是靠连线来传递数据的，但是在需要两个程序之间交换数据时，靠连线的方式是不行的；即便是在同一个程序中的对象之间交换数据，有时也会遇到麻烦。在这种情况下，就需要使用局部变量。串口通信操作前面板如图4所示，直接在面板上设置参数，简洁明了，易于操作。在试验过程中可以随意连续的更改转数，实现无级调速。&4 结果验证这里主要是检查电机的运行状态是否与设定状态吻合，变频器根据PC机发送的指令控制电机，然后又将电机的当前工作状态读取上来。读取变频器的状态指令，可利用VISA Read.VI模块，程序具体实现方法与上述写入指令相同。针对不同情况进行错误处理：首先在前面板中发送指令给变频器，然后去读取此时变频器运行指令，将读取上来的数据进行指令校验和的验证，做条件判断：(1)如果校验正确就说明数据指令执行成功；(2)如果很长时间都没有将变频器上的转数读上来，或者变频器根本就没有动作，出现超时错误，说明变频器通讯故障。(3)读取的值与设定转数值不同，那么指令发送错误，将重新发送指令。可以在前面板显示出变频器的电压状态表，方便直观地查看电机工作状态。5 结 语通过环一块摩擦磨损试验机的试验运用证明，所开发的变频器控制软件设计合理，使用方便，响应速度快，尽管电机存在惯性作用，也能在较短的时间内达到要求的速度，能够保证当摩擦学试验参数变化时，电机仍保持很好的刚性，很好地解决了试验过程中电机速度控制问题。本文的创新点在于根据摩擦学试验机的具体试验要求，利用LabVIEW技术实现计算机与变频器的通信，利用串行端口来控制变频器的运行，操作简单，响应速度快，能够连续、动态地改变电机转速，为环一块摩擦磨损试验机的试验系统提供了强大的技术支持。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中，获得很好的试验效果。同时，该通信方式简单、稳定、可靠，具有很好的实时性和可移植性，可供其他串口通信系统参考。
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基于虚拟仪器的变频器性能自动测试系统的设计
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&1 引言在现代工业应用中，变频器的使用非常广泛，因此研究并应用新型的变频器控制方法，不仅可以节约大量电能而且还能降低对电网的影响，产生巨大的经济效益和社会效益。随着测试技术的发展，基于计算机的虚拟仪器技术普遍应用于测试与分析领域。与普通的分析仪器相比，虚拟仪器具有开发周期短、效率高，分析功能强大等优点。本文就是采用虚拟仪器技术，结合研华的pci-1712多功能数据采集卡，开发了可进行多路信号高速数据采集、信号分析及存储的变频器控制性能自动测试平台。此测试平台具有投资少，测试功能丰富，操作方便，功能扩展性强等优点。2 系统构成及设计方案整个变频器性能自动测试系统由通用硬件和应用软件两部分构成。通用硬件部分包括一台微型计算机、信号调理板，研华pci-1712多功能数据采集卡及其附属的模拟信号接线板pcld-8712、dio接线板adam-3968。在测试系统中了采用了自制的信号调理板，以及labview的第三方板卡，使得整个测试系统具有较低的硬件成本。应用软件部分即测试程序按照设计步骤主要分为两部分:（1) 操作界面部分;（2) 数据采集、分析与存储等后台程序部分。操作界面的功能是完成测试程序各参数的初始化、启动或停止测试的设置以及实时信号的显示等。后台程序部分根据操作面板设置参数调用并配置板卡的驱动程序来驱动硬件，控制变频器的启动、突加或突减负载，最终结束测试。根据测试流程对变频器工作过程中的各电气信号进行数据采集、信号分析、显示，并把采集到的原始数据写入数据文件中。变频器控制性能自动测试的过程是:执行测试软件，在操作面板上对测试过程的参数进行设置，其中包括数据采集通道数、采样频率、数据采集触发方式、数据文件的存放位置等，对测试程序进行设置之后，测试软件自动启动变频器，根据设定参数进行数据采集，信号分析及显示，在测试过程中依次开通或关断di/o0—di/o3端口，使变频器的负载发生突变，从而使变频器运行在不同的工作状态下并对其进行监测和记录，测试结束时采用定时或手动两种方式停止变频器的运行并停止测试，并将采集到的数据分别写入到各信号通道对应的数据文件中。3 硬件简介硬件部分的信号调理板是由电压、电流霍尔传感器以及由运算放大器等模拟器件组成的信号放大、转换电路，用来将电机运行时的电流和电压信号进行检测、滤波，并且转换为符合信号采集卡输入量程的电压信号。同时在调理板上还集成一个c51单片机测速系统，采用m/t测速法对电机光电码盘传送来的脉冲信号进行计数，从而测得电机的转速，并且将速度信号转换为相应模拟电压信号，最终供给数据采集卡进行信号采集，从而得到电机运行过程中的转速量。自制信号调理板的结构如图1所示。&图1 信号调理板的结构框图pc1-1712是研华公司生产的pci多功能数据采集卡，采用单a/d多通道复用的方式进行数据采集，ad精度为12位，最大采样频率为1mhz,采集卡上集成有1kb专用于模拟输入、32kb专用于模拟输出的高速fifo(先进先出存储器)，确保模拟输入和输出信号的实时性和连续性。pci-1712支持多种触发方式，各信号通道增益可编程调节，并集成有3个晶振频率为10mhz的可编程计数器。pcld-8712是模拟信号接线板，在pcld-8712上预留有滤波电路器件的位置，可以直接将信号的滤波电路设置在pcld-8712上。adam-3968是dio接线板，对应于每个dio端口，在板上都设有显示二极管和继电器。整个测试系统的硬件连接示意图如图2所示。&图2 测试系统硬件示意图4 软件设计测试系统的软件部分是采用图形组态软件labview开发而成。labview是基于图形化语言—g语言的开发工具，编程过程简单直观，内部功能模块丰富，对于所支持的硬件进行智能化驱动，因而大大提高了编程效率，labview以其编程效率高、易调试等优点被人们广泛接受。本测试系统软件采用“自左而右”的开发模式，首先按照测试系统所要实现的功能调用相应的功能模块，然后根据测试流程以及数据的处理流程对功能模块进行调整和配置，最后在把各个模块之间传递的变量相应的连接起来，就构成了整个测试系统的软件部分。整个测试软件流程如图3所示，图4是变频器性能测试系统的软件界面。图3 测试软件流程图<FONT color=#.1 数据的在线分析和处理 &图4 测试软件界面在变频器性能的测试过程中，必须利用软件对于采集的数据进行调理，实时对采集到的数据进行分析和显示，直观地得到电机运行过程的一些基本特性。labview中包含丰富的信号处理模块，能够满足各种分析需求。(1) 数字滤波为了滤除电磁干扰引入的高频杂波，以及弥补硬件滤波器性能的不足，提高测试精度，采用软件对采集的信号数据进行二次滤波，调用function&&analysis&&filter模块,对滤波器的类型、截至频率、阶次及其拓扑进行设置就可以实现需要的滤波器。在本测试系统中，设置滤波器为低通型滤波器，截至频率为2khz，滤波器阶次及拓扑设为默认值。(2) 频域分析对变频器运行过程中的电压、电流信号数据进行fft(快速傅立叶变换)，就可以得到其频谱特性。调用labview中spectral measurements(谱分析)模块，设置其为功率谱分析，将采集的数据输出给功率谱分析模块，就可以实现对信号的在线功率谱分析并动态显示。<FONT color=#.2 数据的存储及离线分析受测试系统硬件性能的限制，不能完全在线分析信号的所有特性，只能实时对所采集的数据进行常规分析，所以要将采集到的数据保存为数据文件，用matlab接受进行数据回放或更加复杂的信号特性分析，从而得到变频器在运行过程中的其它性能参数，因此要求数据输出文件应该遵循matlab的数据文件格式。将数据以数组的方式存储在文本文档中不但能够被matlab识别和接受，并且便于数据进一步的处理和分析。所以将各通道波形数据以数组的形式分别存储在各通道的数据文件中。图5就是将采集数据分组并写入数据文件的程序图。图6是测试系统采集变频器运行时的数据经matlab读取进行离线分析的结果。&图5 将采集数据写入数据文件图6 matlab离线分析和数据回放5 结束语通过实际应用，实现了预期的测试功能，此测试系统开发周期短，软件界面良好、易操作，测试功能丰富、实现了虚拟仪器技术与第三方板卡的完美结合，实现了低成本，高性能的高速测试系统。并且还可以在系统中添加其它信号处理模块，实现不同的信号分析和处理功能。此测试系统不仅仅能够应用于变频器控制性能的测试，还能够应用于其它各种电气信号的测试分析和数据采集中，具有非常强的实用性和广阔的应用前景。 &
作者：未知 点击：216次
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2. 虚拟仪器现状与发展方向
2.1 虚拟仪器简介
虚拟仪器是随着计算机技术、现代丈量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，是在通用计算机的基础上配以专门设计的硬件(如卡、VXI/PXI等)和软件，既有类似于传统仪器的操纵面板，也有传统仪器所没有的特殊功能。它是利用I/O接口设备完成信号的采集、丈量和调理;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用的显示功能来模拟控制面板，以多种形式表达输出检测结果;从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。目前较常用的虚拟仪器是数据采集系统、GPIB、VXI、PXI仪器系统以及这几者之间的任意组合[1]。
2.2 PXI总线的特点
PXI总线是以CompactPCI为基础，由具有开放性特点的PCI总线扩展而来的(于1997年由NI公司提出)。PXI构造类似于VXI结构，但它的设备本钱更低、运行速度更快，体积更紧凑，其符合产业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥PCI总线的优点。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统，因而PXI系统具有良好的兼容性。另外，PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，通过使用PCI&PCI桥接器，它更可扩展到256个扩展槽。现在PXI总线的传输速率已经达到132Mbps，最高为500Mbps，是目前已经发布的最高传输速率。台式PC的性价比与PCI总线面向仪器领域的扩展上风相结合，将形成未来主要的虚拟仪器平台。
2.3 虚拟仪器的特点
*基金项目：国家自然科学基金项目()电容称重传感器研究及在车辆称重中的应用
虚拟仪器概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机与相结合的产物。与传统仪器相比，虚拟仪用具有很高的灵活性，用户可以通过编制软件来定义它的功能。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。软件是虚拟仪器的核心，虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器的功能。
2.4 虚拟仪器的应用
虚拟仪器技术在发达国家的应用已非常普及，我国近年来也很重视这方面的研究开发。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的功率特性、负荷特性等。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室应用虚拟仪器技术，开发了V-SDTH通用计算机辅助测试系统，实现各种阀的稳动态测试，北航为航天二院某所开发了实验室多设备的试验治理系统等。这些都取得了良好的实际应用效果。
3 虚拟仪器技术在液压试验台上的应用
3.1 液压泵试验台测控系统设计要求
7044-93《液压轴向竹塞泵实验方法》第5.3条&出厂试验&规定的实验项目中的泵的&排量验证试验&、&容积效率试验&、&变量特性试验&和&外渗漏检查试验&等，要求达到GB/T
7936-87 《液压泵、马达空载排量测定方法》第3.8.1条中所规定的B级测试精度和JB/T
7044-93《液压轴向柱塞泵实验方法》第4.5条中所规定的B级丈量精度。
3.2 采取的技术路线与试验方案
为了实现液压泵性能参数的测试，需要对液压泵源系统压力、流量、温度、转矩、转速等参量进行测试和控制。同时为了保证系统安全运行,
系统具有超压、超温、滤油器污染、低液位等报警功能, 报警的同时采取相关安全措施如：卸荷、封闭泵源等。系统加载装置图见图2：
3.3 测控系统
1.软、硬件配置
本测试系统要求高精度、高可靠性、及实时性，综合虚拟仪器几种硬件构成方案，本测控系统采用NI公司PXI总线测试系统。采用NI-1042机箱，内置PXI-86。采用Windows
XP操纵系统，安装Labview虚拟仪器软件，完成数据的采集、运算、控制、存储、绘图、分析打印等工作。本系统采用NI公司的M系列NI6259多功能卡和西门子S7-200可编程控制器。测试系统的总体结构图见图3
图3 测试系统总体结构图
2.信号调理
各传感器均为4-20mA的标准电流输出。这些信号串接500
精密电阻转换为该多功能卡所需要的电压信号。重要信号，如控制的输出信号和控制节流阀压力的信号由信号隔离模块隔离;既需要进进计算机又需要接进plc的I/O点用光电隔离模块隔离。
3.测控软件[2][3]
测控系统软件是试验台系统的关键部分。它通过通讯设备获取信息，同时向用户显示所需要的信息。测控系统软件所要完成的任务有：数据采集、参数设置、数据分析处理、参量显示、数据存储、信号报警、报表打印等。考虑到LabVIEW用户界面风格友好、开发程序效率高和易于用户使用及开发扩展的上风。本系统采用LabVIEW软件作为开发平台。
系统设置模块。包括自检和硬件设置两个子菜单项。自检是在接好连线，有用户确认后自动进行，硬件设置答应永鼠标点击，选取具体的开关进行工作状态观察。
项目选择与测试模块。这是测控系统的核心模块。它调用测试的有关信息，由获得的各种检测数据操纵系统相关元件进行建立与转换、数据采集，终极经过数据处理算法获得各个测试点的检测结果。
结果模块处理。将负责各具体对象的规范化结果报表文件的天生、绘图、显示、打印及存储工作。它是后期完成的工作，它对采样信号进行非实时的再现和处理，如频谱分析、图形处理等。
4. 帮助和退出模块。帮助模块为用户提联机帮助，指导用户正确操纵;退出模块是系统退出测试。
系统测试主界面图如图4所示：
图4 系统测试主界面图
测试结果转矩随出油压力变化曲线如图5所示：
图5 压力转矩变化测试图
本文的创新点是将计算机控制、检测技术与液压控制技术有效地结合起来，可对系统中各参量进行实时控制与检测。采用LabVIEW
虚拟仪器软件作为开发平台，具有开发周期短，节约研制经费，用户界面友好等优点。经实际运行，该系统具有检测精度高、运行稳定可靠、操纵方便等特点。仪器世界网以独特的模式为行业用户提供丰富的服务，满足用户全面的营销推广的需求，专注服务于生化、制药、食品、印染、石化、农业、电力、化工、高校、质检、疾控等专业领域的用户，提供信息咨询服务、综合传媒、网络技术和网络营销解决方案。
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