摘  要： 變頻器控制在工業(yè)自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其主要目標(biāo)是控制電機的運行狀態(tài)。根據(jù)目前控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,，使用Visual C++的MFC類編寫串口程序,，以ModBus為通信協(xié)議,，經(jīng)RS-232轉(zhuǎn)RS-485電路,，實現(xiàn)利用上位機對臺達變頻器VFD-M的所有參數(shù)進行設(shè)置,，使對變頻器的實時控制成為現(xiàn)實,，最終實現(xiàn)面向現(xiàn)場的自動化控制,。

　　關(guān)鍵詞： 變頻器；Visual C++,；ModBus協(xié)議,；串行通信

　　傳統(tǒng)電機采用分立元件的模擬電路控制，但由于控制電路安裝難,、功耗高,、安全性低，以及交流電機無級調(diào)速的需求和傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)的限制,，工業(yè)領(lǐng)域中變頻器技術(shù)逐漸實用化并投入市場應(yīng)用,。變頻器具有過流、過壓,、過載保護,、可控調(diào)速、降低線路電壓波動,、轉(zhuǎn)矩極限可調(diào),、停止方式可控,、逆轉(zhuǎn)禁止、高效利用能源等眾多功能,。此外,，變頻器還集成分級加減速和經(jīng)典PID等算法，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化,。因此在自動化領(lǐng)域,，特別是在機電一體化系統(tǒng)中，變頻器扮演者重要角色,。

　　一般變頻器具有兩種控制方式：控制面板控制方式和串行通信數(shù)據(jù)控制方式,。控制面板控制方式利用變頻器自帶控制面板進行手動操控,，一般應(yīng)用于非自動控制場合,。在自動化程度越來越高的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場以及機電一體化的數(shù)控設(shè)備中，人工操作基本是不可行的,。為此,，本文采用串行通信數(shù)據(jù)控制方式，設(shè)計了基于Visual C++的變頻器上位機控制系統(tǒng),，用來建立與變頻器之間的串行通信,。該系統(tǒng)具有控制界面直觀、操作簡單,、控制內(nèi)容齊全等優(yōu)點,。通過RS-232/485串行通信方式直接控制變頻器，實現(xiàn)現(xiàn)場交流電機的自動化控制,，進而實現(xiàn)“控制-檢測-調(diào)節(jié)-再控制”的閉環(huán)控制系統(tǒng),。這是一條可行、高效的技術(shù)路線,。

　　1 變頻器數(shù)字控制方式

　　1.1 變頻器的數(shù)字控制的軟硬件基礎(chǔ)

　　本文選用臺達VFD-M變頻器為控制對象,，使用Visual C++的MFC類編寫串口程序，以ModBus為通信協(xié)議,，經(jīng)RS-232轉(zhuǎn)RS-485電路,，最終實現(xiàn)利用上位機對臺達變頻器VFD-M的所有參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)對變頻器的實時控制,。根據(jù)變頻器的通信地址,，操作人員可以在上位機上設(shè)置多臺變頻器的參數(shù)，以實現(xiàn)對變頻器運行的實時控制,。其可視化界面美觀,、實用，操作簡潔。

　　1.2 變頻器命令代碼控制方式

　　在眾多的通信協(xié)議中,，由Modicon公司設(shè)計的ModBus通信協(xié)議已經(jīng)成為一個通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，據(jù)此不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控[1],。通過此協(xié)議,，控制器之間、控制器與其他設(shè)備之間可以實現(xiàn)信息交換,。使用該通信方式無需附加任何費用,，是最為廉價、實用且開放的串行通信方式,。本文以RS-485標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建硬件橋梁,，在其上使用ModBus通信協(xié)議實現(xiàn)計算機與變頻器通信，進而實施控制,。在實際的應(yīng)用中,，只需按照變頻器規(guī)定的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制字和協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)計算機與變頻器的通信,。以臺達變頻器VFD-M為例,，采用ModBus ASCII通信協(xié)議的運轉(zhuǎn)、停止,、正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn)代碼指令分別為：“：010620000002-

　　D7\r\n”、“：010620000001D8\r\n”,、“：010620000010C9\r\n”,、“：010620000020B9\r\n”。只要將這些控制代碼傳送給變頻器,，即可令變頻器執(zhí)行相應(yīng)功能,，控制電機運轉(zhuǎn)。

　　2 Visual C++串行通信實現(xiàn)

　　2.1 Visual C++與MFC簡介

　　Visual C++是微軟公司推出的在Win32環(huán)境下運行的面向?qū)ο罂梢暬删幾g系統(tǒng)的開發(fā)程序,。MFC是微軟生產(chǎn)的名為Microsoft Foundation Classes(微軟基礎(chǔ)類)的C++類集的縮寫形式,，它提供面向?qū)ο罂蚣?，程序開發(fā)人員可以使用這一框架創(chuàng)建Windows應(yīng)用程序,，并且MFC按照C++類的層次形式結(jié)合在一起，幾個高層類提供一般功能,，而低層類實現(xiàn)更具體的行為,，每一個低層次類都是從高層類中派生出來的，因此繼承了高層類的行為[2],。

　　MFC是一個微軟公司提供的類庫,，以C++類的形式封裝了Windows的API，并且包含一個應(yīng)用程序框架，以減少開發(fā)人員開發(fā)應(yīng)用程序的工作量,。其中MFC類中包含了大量窗口句柄封裝類,、Windows自帶的控件和組件的封裝類。MFC類(或者其派生類),、組件的封裝類是MFC應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu),。MFC 提供了MFC AppWizard 自動生成框架(用MFC編寫的程序絕大部分都能在Windows中完美運行)。

　　實際上,，MFC是微軟提供的用于在C++環(huán)境下編寫應(yīng)用程序的一個框架和引擎,。VC++是Windows下開發(fā)人員使用的專業(yè)C++ SDK(Standard Software Develop Kit，專業(yè)軟件開發(fā)平臺),，MFC就是掛在其上的一個輔助軟件開發(fā)包,。

　　C++和VC++的區(qū)別在于C++是一種程序設(shè)計語言，是一種完全兼容C語言的軟件編制的通用規(guī)范,；而VC++只是一個編譯器,、開發(fā)工具，或者說是一種集成的應(yīng)用程序開發(fā)平臺,。

　　2.2 Cserial類與ActiveX控件MSComm對比

　　MSComm控件(Microsoft Communication Control)建立在ActiveX基礎(chǔ)之上,，幾乎覆蓋了對串口編程接口的所有封裝，其最大的好處是技術(shù)本身的跨語言特性,，即凡是支持ActiveX控件操作的程序設(shè)計語言均可使用,，例如Visual C++、Visual Basic,、Visual FoxPro等,。.NET平臺語言也同樣支持ActiveX，因此,，MSComm幾乎成了這些不能直接操作系統(tǒng)資源的語言平臺上可以進行串口通信的為數(shù)不多的方法之一,。

　　但是，在Visual C++中使用MSComm,，要比在Visual Basic等語言環(huán)境中復(fù)雜得多,。使用MSComm就要理解COM模型特殊的變量，COM并不是簡單的類封裝,，而是要通過各種復(fù)雜的接口和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程,，才能將對控件的操作轉(zhuǎn)化為最終對Windows API的調(diào)用。使用基于MSComm的串口通信程序,，可能存在隨著通信數(shù)據(jù)量的加大,，整個程序所占內(nèi)存數(shù)量上升的情況，而主程序?qū)Υ藷o能為力,。除此之外,，MSComm控件依賴于消息循環(huán),，在一般情況下需要有對話框作為宿主，這使得編寫一個使用串口的后臺服務(wù)幾乎成為不可能的事,。

　　Cserial類的優(yōu)點在于它的開放性,，即所有的功能均以源代碼提供，開發(fā)者不僅可以直接在工程中使用這些代碼,，而且可以根據(jù)項目規(guī)劃將其編譯成靜態(tài)庫,、動態(tài)庫，還可以在原有的基礎(chǔ)上進行改造[3],。因此本文使用Cserial 類控制串口,。

　　2.3 使用Cserial類控制串口

　　Cserial一共有7個文件，作用如下：

　　(1)Serial.cpp和Serial.h是基礎(chǔ)類包裝,，定義并實現(xiàn)Cserial類,。

　　(2)SerialEx.h和SerialEx.cpp定義并實現(xiàn)繼承于Cserial類的CserialEx類，這個類為Windows的消息傳遞進行了特別的優(yōu)化,，適合于使用SDK編寫的圖形界面程序,。

　　(3)SerialMFC.h、SerialWnd.h和SerialWnd.cpp 3個文件實現(xiàn)了進一步的包裝,，便于在MFC中使用Cserial[4],。

　　例如串口的打開、設(shè)置,、讀,、寫、關(guān)閉函數(shù)分別為：

　　m_port.Open();

　　m_port.SetUp();

　　m_port.Write();

　　m_port.Read();

　　m_port.Close();

　　如寫運轉(zhuǎn)指令：m_port.Write("：010620000002D7\r\n");,。

　　3 總體方案設(shè)計

　　3.1 總體方案結(jié)構(gòu)

　　變頻器的串行通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

　　3.2 控制界面設(shè)計

　　本文設(shè)計的系統(tǒng)所要實現(xiàn)的基本功能是控制變頻器輸出，使電機能正轉(zhuǎn),、反轉(zhuǎn),、加速和減速。為了使軟件有更好的兼容性能,，附加了串口配置模塊,。同時為方便操作員使用，還增加了變頻器在STOP模式下的預(yù)設(shè)模塊,，并以視圖化形式呈現(xiàn)出來,，用來完成對一些常用函數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)控制界面如圖2所示,。

　　3.3 串行通信的編程實現(xiàn)

　?。?）創(chuàng)建基于對話框的項目

　　①進入Visual C++編程環(huán)境,，選擇“File/New”菜單命令，打開新建項目工作區(qū)，選擇“Project”標(biāo)簽下的“MFC AppWizard[exe]”選項,，在“Project Name”編輯框中輸入應(yīng)用程序項目的名稱“數(shù)據(jù)控制變頻器的研究與實現(xiàn)”,，在“Location”編輯框中輸入相應(yīng)的文件名和文件路徑，單擊“OK”按鈕,。

　?、谠贛FC AppWizard-Step1向?qū)ы撋线x擇基于對話框的選項（Dialog base），后面其他的向?qū)ы摱疾捎媚J設(shè)置值并確定,。

　?。?）調(diào)整對話框?qū)傩?/p>

　　①按“Alt+Enter”組合鍵,，彈出“Dialog Properties”對話框,。

　　②設(shè)置ID和標(biāo)題,，其他保持默認設(shè)置,，如圖3所示。

　?。?）給對話框添加控件

　　將控件工具欄中的控件按鈕拖到對話框模板上合適的位置,。

　　（4）根據(jù)需要對控件的屬性進行設(shè)置,，如表1所示的對正轉(zhuǎn)按鈕的設(shè)置,。

　　（5）添加消息映像

　　在Windows的使用控件編程中,，必須事先設(shè)定對話框中各控件的消息處理方式,，這樣，用戶才可以向控件發(fā)送消息來完成指定的任務(wù),，或根據(jù)控件產(chǎn)生的消息執(zhí)行相應(yīng)的程序代碼,。為控件添加消息的一般步驟如下。

　?、俅蜷_“MFC ClassWizard”對話框,，按“Ctrl+W”組合鍵，如圖4所示,。

　?、谶x擇“Message Maps”標(biāo)簽，從“Class name”列表框中選擇“CvisualCDlg”類,。

　?、墼凇癘bject IDs”列表框中選擇產(chǎn)生消息的控件ID，例如IDC_FORWARD,。

　?、茉凇癕essages”消息框中選擇消息響應(yīng)方式,，例如BN-CLICKED方式。

　?、輪螕簟癆dd Function”按鈕,，創(chuàng)建相應(yīng)的成員函數(shù)。

　?、捱x定“Member functions”列表框中的相應(yīng)成員函數(shù),，單擊“Edit Code”按鈕，在成員函數(shù)模板中添加如下程序代碼：

　　void CVisualCDlg：：OnForeward()

　　{

　　//TODO：Add your control notification handler code here

　　}

　　至此系統(tǒng)框架就已經(jīng)完成,，下一步就是針對每一個控件內(nèi)嵌Cserial類函數(shù)來完成對串口的控制,，進而控制變頻器。

　　3.4 變頻器工作方式設(shè)定

　　要實現(xiàn)對變頻器的串行通信控制,，需對變頻器進行工作方式設(shè)定,，如表2所示，詳細設(shè)定值說明可參考臺達VFD-M變頻器使用手冊[5],。

　　3.5 通信的硬件實現(xiàn)

　　3.5.1 臺達變頻器VFD-M

　　臺達VFD-M變頻器系列是由中達電通股份有限公司生產(chǎn)的超低噪音迷你型變頻器,，最大輸出功率可達7.5 kW，體積小,、噪音低,，主要用于三相異步交流電機的控制。

　　3.5.2 物理接口

　　臺達VFD-M變頻器帶有RS-485接口,，因此可以通過RS-232/485轉(zhuǎn)換器與上位機RS-232端口連接,，與上位機建立通信。

　　將界面控制變?yōu)楹瘮?shù)控制,，建立函數(shù)庫,，通過函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)控制，使其資源共享,，便于在不同控制系統(tǒng)中靈活調(diào)用,。

　　搜集不同型號的變頻器的控制代碼，編制控制代碼表,，供程序定義時使用及在編程過程中調(diào)用,。這樣，程序就可適用于控制各式各樣的變頻器,。

　　在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域,，組網(wǎng)運行是發(fā)展趨勢，系統(tǒng)中各控制單元的控制方法及實現(xiàn),，大部要由主控計算機完成,。本文以上位機Visual C++6.0為開發(fā)平臺，使用MFC類進行開發(fā)設(shè)計,，最終形成運行于上位機的應(yīng)用程序,。變頻器是自動控制系統(tǒng)中使用較廣泛的交流電機控制器,，本文通過上位機，用串行通信的方式對變頻器操控,，進而對交流電機實現(xiàn)控制,。這一方案及實現(xiàn)方法能為自動化工程師解決此類問題提供一個理想,、良好的解決思路,。

　　參考文獻

　　[1] 崔躍，夏旭東,，蔣勇.Quantum控制系統(tǒng)在20 000 m3/h制氧機的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用,，2006(2).

　　[2] 王文學(xué)，張謙,，尹巖青.Visual C++6寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2001.

　　[3] 周韌研，商斌.Visual C++串口通信開發(fā)入門與編程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2009.

　　[4] 曹衛(wèi)彬.C/C++串口通訊典型應(yīng)用實例編程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2009.

　　[5] 董艦，張桓.數(shù)字通信在變頻器控制中的作用[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),，2012(3)：93-99.