Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢華林　祁圣民　張　鵬

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江　212003)

柔性排纜絞車檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢華林祁圣民張鵬

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

摘要：為了確保柔性排纜絞車能夠正常工作，在LabVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了纜車自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用LabVIEW中的VISA技術(shù)，解決了上位機(jī)與SEW變頻器的串口通信問(wèn)題，并通過(guò)LabVIEW前面板實(shí)時(shí)讀取變頻器與電機(jī)的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明,該檢測(cè)系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、可靠性高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、維護(hù)便捷的特點(diǎn)，為后續(xù)柔性排纜絞車的精確控制提供了很好的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器纜車監(jiān)視變頻器柔性排纜通信

Abstract：In order to ensure the normal operation of flexible cabling winch, the automatic detection system has been developed for cable car on LabVIEW platform. The VISA technology in LabVIEW is adoped to realize the serial communication between host computer and SEW inverter. The operation status of the inverter and motor can be read in real time via LabVIEW front panel. The tests indicate that the detection system features short develping cycle, high reliability, ease to operation and maintenance. It provides well technonical support subsequently for previse control of flexible cabling winches.

Keywords：Virtual instrumentCable car monitoringInverterCabling winchCommunication

0引言

柔性排纜絞車需要完成纜繩的回收和釋放工作，隨著纜繩直徑的變化，纜車的轉(zhuǎn)速也要發(fā)生相應(yīng)的變化。為實(shí)現(xiàn)柔性排纜絞車的精確控制，須要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地采集到纜車的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。對(duì)于柔性排纜絞車，采用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)已經(jīng)成為一種很有效的控制方式。采用變頻器與上位機(jī)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)作業(yè)狀況的監(jiān)測(cè)，通信通常都是通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前串口通信的界面開(kāi)發(fā)大部分是通過(guò)在Windows操作系統(tǒng)下利用VC++、VB、Delphi等軟件進(jìn)行編程。采用這些軟件編寫通信程序時(shí)，編程人員需要編寫繁瑣的API程序，且這些軟件中都沒(méi)有專業(yè)的通信模塊，實(shí)現(xiàn)繁瑣。針對(duì)以上面臨的要求與不足，利用LabVIEW中的VISA技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻器與上位機(jī)的通信以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

1柔性排纜絞車工作原理

由于不同的拖曳設(shè)備使用的纜繩直徑不同，這要求絞車的自動(dòng)排纜機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)多種不同直徑的纜繩；在進(jìn)行纜繩排纜時(shí)，要確保纜繩整齊密實(shí)地纏繞在絞車的卷筒上。這要求柔性排纜機(jī)構(gòu)能夠有效地保證排纜機(jī)構(gòu)的橫向運(yùn)動(dòng)和絞車卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同步發(fā)生相應(yīng)的變化。柔性排纜絞車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　電控式柔性排纜機(jī)構(gòu)

在排纜作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)纜繩直徑發(fā)生變化時(shí)，傳感器將信號(hào)傳給電機(jī)2對(duì)應(yīng)的變頻器，變頻器控制電機(jī)2使得排纜導(dǎo)頭的橫向運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生相應(yīng)的變化。為了保證纜繩在絞車卷筒上排列整齊有序，卷筒的轉(zhuǎn)速也要發(fā)生相應(yīng)的變化，這主要由電機(jī)10對(duì)應(yīng)的變頻器來(lái)控制。

使用這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)主要有：

① 可以使用單向絲杠。機(jī)械式排纜在纜繩排纜換向時(shí)要采用雙向絲杠，雙向絲杠的加工成本高，且使用壽命較短。

② 增加了排纜的柔性。機(jī)械式排纜在纜繩直徑發(fā)生變化后，需要改變機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)改變傳動(dòng)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。所以機(jī)械式排纜不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而電控式排纜可以通過(guò)程序很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的功能。

從柔性排纜的工作原理可以看出，要達(dá)到柔性排纜的目的，就要對(duì)兩個(gè)電機(jī)的速度進(jìn)行精確的控制。為了對(duì)三相交流異步電機(jī)進(jìn)行控制，就要能夠精確地讀出電機(jī)與對(duì)應(yīng)的變頻器的工作參數(shù)。

2SEW變頻器與上位機(jī)通信硬件配置

2.1　SEW變頻器與上位機(jī)接口配置

MDX61B0110系列SEW變頻器的通信接口為RS- 485串口。上位機(jī)PC的通信串口為RS-232，所以在上位機(jī)與SEW變頻器通信時(shí)需要使用RS-232/RS- 485轉(zhuǎn)化模塊。SEW變頻器上有ST11與ST12兩個(gè)端口，分別對(duì)應(yīng)RS- 485+與RS- 485-。利用雙絞線將ST11與ST12分別連接至RS-232/RS- 485轉(zhuǎn)換模塊中的RS+與RS-，轉(zhuǎn)化模塊需要另外連接獨(dú)立的開(kāi)關(guān)電源，以提供穩(wěn)定的24 V電壓。轉(zhuǎn)換之后通過(guò)RS-232接口連接上位機(jī)PC。通信接口連接簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2　變頻器通信接口簡(jiǎn)圖

由于上位機(jī)PC中只有一個(gè)串口，所以不可能為每個(gè)變頻器分配一個(gè)單獨(dú)的串口，故變頻器之間的通信連接顯得格外重要。通過(guò)屏蔽線連接各個(gè)變頻器上的ST11與ST12端口，連接方式如圖3所示。此種連接方式最多可以連接32個(gè)SEW變頻器，或者連接31個(gè)變頻器再加上一個(gè)主控系統(tǒng)。利用RS- 485連接在一起的變頻器之間不能有任何電位差。為了避免發(fā)生有電位差的情況，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，常用的方法是使用一根?dú)立分開(kāi)的引線連接變頻器的接地線。

圖3　變頻器之間接口接線圖

變頻器連接完之后，用圖1所示的方法連接上位機(jī)PC與變頻器，這樣通過(guò)一個(gè)串口便可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)變頻器之間的通信。

2.2　SEW變頻器通信指令

在串口通信中，最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。

波特率是用來(lái)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送位的個(gè)數(shù)。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于距離很近的儀器間的通信。SEW變頻器與上位PC機(jī)通信波特率設(shè)為9 600 bit/s。

數(shù)據(jù)位是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，標(biāo)準(zhǔn)的值是6、7和8位。數(shù)據(jù)位如何設(shè)置取決于想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127(7位)，擴(kuò)展的ASCII碼是0～255(8位)，如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本(標(biāo)準(zhǔn) ASCII碼)，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始/停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。SEW變頻器與上位PC機(jī)數(shù)據(jù)位設(shè)為8。

停止位用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1、1.5和2位。

奇偶校驗(yàn)位是串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有4種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶數(shù)個(gè)或者奇數(shù)個(gè)邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正地檢查數(shù)據(jù)，只簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾通信或者傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

如圖4所示為通信報(bào)文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4通信報(bào)文結(jié)構(gòu)圖

Fig.4Structure of the communication message

如圖4所示，SD1(Start delimiter 1)為初始分隔

符，串口通信中可以靠它來(lái)識(shí)別報(bào)文傳送的是請(qǐng)求信號(hào)還是響應(yīng)信號(hào)。請(qǐng)求報(bào)文的SD1=02(hex)，響應(yīng)報(bào)文的SD1=1D(hex)。

② TYP，主要是用來(lái)設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

③ PDU，包括了要發(fā)送的具體內(nèi)容，例如要讀取速度還是頻率，具體的值是多少。

④ BCC，主要是對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否因?yàn)楦蓴_或者其他原因?qū)е滦盘?hào)失真。

以讀速度為例，上位機(jī)PC向SEW變頻器發(fā)送的指令為：02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，奇校驗(yàn)方法如表1所示。

表1　校驗(yàn)方法

表1中,0位到7位表示的是每位代碼轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制以后對(duì)應(yīng)的值。由于代碼中的第7、8、9、10均為零，故在表格中將其省略。

在連續(xù)讀同一個(gè)參數(shù)時(shí)握手信號(hào)位不需要改變，如果同時(shí)讀幾個(gè)參數(shù)，則握手信號(hào)位以0、1交替；校驗(yàn)碼計(jì)算方法，前面11個(gè)字節(jié)將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制以后，按縱向排列的位為1時(shí)，如果有奇數(shù)個(gè)1，則對(duì)應(yīng)校驗(yàn)碼該位為1，其他情況為0。發(fā)送該指令后讀到12個(gè)字節(jié)，5、6字節(jié)還是地址，7、8、9、10字節(jié)為數(shù)據(jù)。對(duì)于速度值，把7、8、9、10字節(jié)從高到低組合成一個(gè)整數(shù)，還要除以1 000，才能得到以r/min為單位的速度值。

用同樣的方法可以讀出變頻器的輸出頻率、電機(jī)電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)角等。由于方法類似不再一一介紹。

3軟件實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW中使用串口與在其他開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)的過(guò)程相類似。首先，需要調(diào)用串口配置(VISA configure serial port)函數(shù)，通過(guò)串口配置函數(shù)對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行配置，需要配置的參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。初始化串口之后,需要對(duì)串口進(jìn)行讀與寫的操作，數(shù)據(jù)的發(fā)送使用VISA寫入函數(shù)(VISA Write)，數(shù)據(jù)接收使用VISA讀取函數(shù)(VISA Read)。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用串口字節(jié)數(shù)函數(shù)(VISA btypes at serial port),查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果VISA讀取函數(shù)要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，VISA讀取函數(shù)將一直等待，直到Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。

SEW變頻器在讀取參數(shù)時(shí)比較特殊，在讀取參數(shù)時(shí)上位機(jī)PC給變頻器的報(bào)文必須是變化的。以讀取速度為例，如果上位機(jī)只給變頻器發(fā)送02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，變頻器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)是不會(huì)變化的，即數(shù)據(jù)不能更新，所以在讀速度時(shí)給變頻器發(fā)送的報(bào)文要讀一下速度再讀一下其他的參數(shù)比如頻率或者電機(jī)電流。工作流程如圖5所示。

圖5　LabVIEW軟件讀參數(shù)工作流程示意圖

由于SEW變頻器的特殊性，對(duì)于讀取出來(lái)的參數(shù)要進(jìn)行判斷，要識(shí)別出變頻器反饋回來(lái)的報(bào)文是與速度相關(guān)還是與頻率或者與電機(jī)電流相關(guān)。這主要通過(guò)反饋回來(lái)的報(bào)文進(jìn)行區(qū)分。區(qū)分報(bào)文之前需要做一些準(zhǔn)備工作，要將反饋報(bào)文中的第5、6、7、8、9、10位分別取出來(lái)。變頻器反饋回來(lái)的報(bào)文每一位都是十六進(jìn)制形式，取出報(bào)文中的每一位都要以十進(jìn)制的形式保存。對(duì)讀取出來(lái)的報(bào)文數(shù)組取屬性節(jié)點(diǎn)，通過(guò)LabVIEW中的索引數(shù)組函數(shù)取出報(bào)文中的5、6、7、8、9、10這幾位，并以十進(jìn)制形式保存。

將報(bào)文的數(shù)據(jù)位提取出來(lái)之后，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，轉(zhuǎn)化方法為：

十進(jìn)制結(jié)果=7位×166+8位×164+

9位×162+10位×160

(1)

由SEW通信協(xié)議可知，十進(jìn)制結(jié)果為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速或者工作頻率。

對(duì)第5、6兩位進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

十進(jìn)制值=5位×162+6位×160

(2)

式(2)中十進(jìn)制值為8 318時(shí)表示反饋的報(bào)文值為速度，當(dāng)十進(jìn)制值為8 319時(shí)表示反饋的報(bào)文值為頻率。以此來(lái)區(qū)分反饋報(bào)文中包含的信息內(nèi)容。電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)第7位區(qū)分，當(dāng)?shù)?位為FF(十六進(jìn)制)時(shí)電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，其他情況下電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的柔性排纜絞車檢測(cè)系統(tǒng)能夠直觀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纜車電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，開(kāi)發(fā)周期快，便于維護(hù)。通過(guò)實(shí)地運(yùn)行驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好，為后期的電機(jī)控制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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通信地址① ADR(Slave address)，為變頻器的，通過(guò)此地址上位機(jī)可以知道此刻正在與哪個(gè)變頻器進(jìn)行通信。

中圖分類號(hào)：TH7;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508008

修改稿收到日期：2014-07-15。

第一作者鄢華林(1957-)，男，1980年畢業(yè)于江蘇大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，教授；主要從事電液伺服控制、海洋裝備、系留裝置方面的研究。