关键词：上位机、可编程控制器、变频器、帧头，帧尾，命令码、响应码、ASCII码。
一、前言：
该游艺机（恐龙危机）是我公司和深圳华强集团公司合作的一个项目，在2003年3月正式开始启动。该游艺项目（恐龙危机）是以恐龙为主题。游客坐在该游艺车上，沿着特定的轨道运行。沿途有许多电影场景，游艺车自身能产生与场景相适应的动作。采用变频器控制，可产生不同程度的感受，实现各个动作之间的柔性转换。电影画面气势恢宏，产生的动作剧烈、刺激。有视觉、听觉、触觉的刺激，有全方位的感受。
二、问题的提出
由华强公司提出一个整体规划：该项目由总台、电影场景、游艺车三大部分组成。游客坐在该游艺车上，沿着特定的轨道运行，在沿涂运行过程中，有不同的电影场景，播放不同的电影片段。当该游艺车运行到某电影场景时，该场景播放一个电影片段，在该游艺车上有车载计算机，接收到场景总台发来的信号；车载计算机根据总台的信号，分析处理后，发出与场景电影相一致的音频流信号和向可编程控制器的命令信号。可编程控制器接收到命令后，控制车载各部件产生相应的动作。其总控制框图见图一。
图一
当时提出几个动作的概念，如：急驶、急停、慢驶、慢停、快转、慢转、倾斜、失重、振荡等动作。这些动作不能做一个具体的数字表述，因为在游艺机行业，一切以游客感受为标准。其中有速度变化的是急驶、急停、慢驶、慢停、快转、慢转。同时提出在必须有前进的速度和加速度以及旋转的速度、角度、角加速度的控制。有车载计算机收到总台的命令后，向该车的可编程控制器发送命令（如：Gxyz,和Rabcd其中G表示行走命令，x表示行走的方向， y表示行走的速度，z表示行走的加速度，R表示旋转命令， a表示旋转的方向， b 表示旋转的速度，c表示旋转的角度，d表示旋转的角加速度）。
实际上具体的动作是根据电影的内容而定，对电机的速度、加速度必须能随意控制。同时，由于环境的影响和对稳定性的要求，对变频器的性能有很高的要求。我了解几家变频器的性能、用法、价格和售后服务，以及厂家的资料和市场的反映情况。选用了艾默生EV2000型变频器。EV2000实现了高转矩、高精度、宽调速驱动；具有防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，提高了产品的可靠性；EV2000通过优化PWM控制技术和电磁兼容性整体设计，能满足用户对应用场所的低噪音、低电磁干扰的环保要求。
三、问题的解决：
在该项目中，总台控制、电影动画、车载计算机和音频流信号由华强公司负责，我公司负责车载可编程控制器和车载各部件的动作。必须接收车载计算机发出的命令。经处理后，在发出各种命令完成相应的各种动作。其中用两台变频器来控制行走和旋转的各个动作，另两台变频器分别控制电推杆1和电推杆2。其车载部分的控制框图见图二：
图二
1个可编程控制器同时控制4台变频器、大量的输入输出口和1个上位机通讯口。假如用可编程控制器的I/O口输出处理，由于动作的随意性，将占用大量输出口，甚至变频器没有这么多控制口来产生这么多相应的动作。如将1个变频器分成7段曲线运行，至少需要20个输出口，加上4个变频器的输入接触器的控制，需要24个输出口，这样一来，大量的输出口被变频器占用；而且输出口多，则占用的空间越多。这种方案在游戏机实际运用中很难行得通（游戏机布线相当困难，尤其在三维转动游戏机），并且不利于以后功能的增加。
由图二来看，其控制模式类似于RS485组网方式，（与艾默生变频器的用户手册变频器组网方式中单主机多从机模式一致）。4台变频器由通讯模式来控制。这样既能方便控制电机，读取电机的运行状态，省去许多可编程控制器的输出口。又利于以后的功能增加，真正实现动作的随意性。
四、通讯的协议
1． 接口方式：RS485接口，异步，半双工，8-N-1，9600bps。
2． 通讯方式：变频器为从机，主从式点对点通讯。
3． 通讯格式：
3.1. 主机命令帧格式：
<帧头><从机地址><主机命令区><命令索引区><设定数据区><效验区><帧尾>
3.2. 从机响应帧格式：
<帧头><从机地址><从机响应区><命令索引区><运行数据区><效验区><帧尾>
3.3. “数据区”在具体的协议帧中可能不存在。
3.4. 协议中有效字符为：~、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F及十六进制数0DH，小写ASCII字母a、b、c、d、e、f为非法。
3.5. 有效命令帧长14或18字节,响应帧也有个别为10字节.
4． 格式解释
4.1. 帧头： “~”(即十六进制7E)，单字节。
4.2. 从机地址：从机的本机地址。双字节。ASCII格式。设置范围：00-7F。
4.3. 主机命令/从机响应：主机发送的命令/从机对命令的响应。双字节。ASCII格式。
4.4. 命令索引：包含辅助索引字节和命令索引字节。16进制，4字节。ASCII格式。
4.5. 效验和：
“从机地址”到“运行数据”全部字节的ASCII码值的累加和。4字节。ASCII格式。
4.6. 帧尾：十六进制0D，单字节。
4.7. 协议命令列表（见用户手册通讯协议命令列表）
主机命令 名称
00 查询从机状态
01 读取从机参数
02 运行控制和调节
03 读取功能码参数（过渡性支持）
04 设置功能码参数（过渡性支持）
05 系统配置与查询
06 读取功能码参数（组号+码号索引）
07 设置功能码参数（组号+码号索引）
五、调试中的注意问题
1． 变频器的参数修改条件。
用户密码： FP.00的参数为用户的密码或0。
参数保护： FP.01的参数为0。（全部参数允许被修改）
2． 变频器的通讯命令的设置。
频率给定通道的选择： F0.00的参数为2。数字给定，串行口给定。
运行命令通道的选择： F0.03的参数为2。串行口运行命令通道。
3． 变频器的通讯地址设置。
通讯地址： FF.01的参数应在1-126。
4． 变频器的通讯条件设置。
通讯配置： FF.00的参数为5。波特率为9600BPS，数据格式为1-8-1格式，无效验。接线方式为直接电缆连接。
通讯超时时间：FF.02的参数为0S。
本机应答延时：FF.03的参数为5mS。
5． 控制命令的编写。
在通讯格式中，除帧头、帧尾外，其余必须是ASCII码，计算效验和时，必须将前面的内容的ASCII码之和，如：发送<~0102000213880259\>命令。发送的字节内容是<7E><30><31><30><32><30><30><30><32><31><33><38><38><30><32><35><39><0D>
其中<30><32><35><39>是它前面除7E外的字节之和的ASCII码。
6． 连续发送命令。
在每次发送命令前，必须计算该命令的效验和。在连续发送命令时，必须注意清除前一次的效验和。确保发送命令的效验和是该次命令的效验和。
7． 停机的方式：
停机方式有三种：1。减速停机；2。自由停机；3。减速停机+直流制动。
7.1.减速停机是电机按变频器的减速时间将转速减至0。
7.2. 自由停机是变频器停止输出，电机完全依靠自身的惯性运行。
7.3. 减速停机+直流制动是变频器使用能耗制动，强行将电机转速减至0。
六、应用中的问题
1． 安全的问题：
游艺机必须以游客的安全为第一要注。在该游艺车中的电推杆，它的行程总共只有200mm。必须安装上、下限位开关，防止因意外使电机过冲导致推杆被损坏。同时电机必须有自保持装置，防止因意外在某高度不能自保持而下降导致推杆被损坏，或对游客有不良感觉。这些装置必须独立控制电路。因此，凡涉及安全的措施必须独立于控制电路。确保不会因控制电路的故障而引起安全的问题。
2． 停机的问题：
前面说到停机的方式有三种：1。减速停机；2。自由停机；3。减速停机+直流制动。
当变频器的输出频率是0HZ时，由于电机负载的不平衡会导致该车不停地摆动，并不是真正意义上的停止。一般在游艺车上用的电机带有制动装置。当变频器输出频率是0HZ时，制动装置应起制动作用。保证该电机不转动。值得注意的是，当要求变频器有输出时，制动装置必须放开，不起制动作用。一般在变频器输出为0HZ时，制动装置才能起制动作用。如果当变频器有输出时，制动装置起制动作用会导致变频器的电流增加，甚至会导致故障（电机过载）。影响整个系统的正常工作。
3． 通讯的问题
3.1车载计算机的接收和发送
车载计算机在接收到总台发来的指令后，开始向音响系统发出相应的音频流信号；同时向可编程控制器发送对应的控制命令。该通讯协议由我和华强公司共同商议。其通讯方式采用RS-232异步串行通讯的方式,通讯参数为: 波特率为9600BPS，数据位为8位，停止位为1位,无效验。接口为DB9M标准接口,电平是标准EIA电平,流量控制为Xon/Xoff 。
3.2控制器的接收和发送
可编程控制器的接收和发送分两部分：
3.2.1与上位机的接收和发送。由上位机RS232转换成RS-485，再连到可编程控制器。在运行过程中必须随时监控该通讯口的状态，一旦发现该通讯口有上位机的命令，必须马上处理执行。在整个游艺过程中，必须保证动作的即时性。否则，该游艺车就不具有该特性意义。在接收到一条指令后，经分析后，该指令是一条正确的指令，则向上位机发送正确命令指令；否则发送错误命令指令或非法命令指令。同时，上位机查询车状态的指令时，发送车状态信息给上位机。
3.2.2与变频器的接收和发送。变频器为从机，采用主从式点对点通讯。采用RS-485通讯方式。通过网络连接器再连到变频器的通讯端口。在可编程控制器接收到上位机的正确指令后，经分析处理，有要求改变变频器输出的，调用命令转换，再向变频器发送相应的控制命令。同时接收变频器的从机相应，确认控制命令的正确发送。
3.3变频器的接收和发送。在可编程控制器向变频器发送完指令，变频器接收到指令后，会向可编程控制器发送对应的从机响应。其响应码的含义描述见下表：
命令码 响应码 含义
00 10 从机未准备好
00 11 从机准备好，允许主机控制，允许设置频率。
00 12 从机准备好，允许主机控制，不允许设置频率。
00 13 从机准备好，不允许主机控制，允许设置频率。
00 14 从机准备好，不允许主机控制，不允许设置频率。
00-07 20 帧错误；命令区、索引区数据超限；除帧头、帧尾外有非ASCII字节。
01-07 30 从机控制无效；参数更改无效；数据区数据超限；密码错误。
01-07 00 从机通讯和控制正常；参数更改有效；密码正确。
4． 故障的问题：
由于选用变频器型号不当、参数调整不当或变频器本身存在问题，调试和运行中可能回出现各种故障。下表是对故障类型的描述：
故障索引 故障描述 故障索引 故障描述 故障索引 故障描述
E001 加速运行过流 E009 输出侧缺相 E017 串行通讯错误
E002 减速运行过流 E010 逆变模块故障 E018 接触器未吸合
E003 恒速运行过流 E011 逆变模块过热 E019 电流检测故障
E004 加速运行过压 E012 整流桥过热 E020 CPU错误
E005 减速运行过压 E013 变频器过载 E021 保留
E006 恒速运行过压 E014 电机过载 E022 保留
E007 控制电源过压 E015 外部设备故障或紧急停车 E023 键盘参数拷贝出错
E008 输入侧缺相 E016 E²PROM故障 E024 自整定不良
其相对应的措施可参考用户手册。
5.EMC的问题
EMC的问题是所有的工业控制的一个问题。在做EMC时，总的原则是将噪声源和噪声接收器尽量隔离，同时抑制噪声源噪声强度，加强噪声接收器的抗噪声能力。变频器的工作原理决定了它会产生一定的噪声,从而可能带来EMC的问题。为了减少变频器对外界的干扰，可从接地、屏蔽、隔离、滤波、去耦五个方面下手解决问题。
5．1 应采用正确的接地方式。变频器与音响设备、传感器、控制器的接地端要分开。电机和变频器应有专用接地极。接地线应尽量短而粗。且要远离噪声敏感设备。
5．2 控制电缆和电机电缆应使用屏蔽电缆或铠装电缆，屏蔽金属丝网通过两端的电缆夹片与金属机箱相连。变频器应装在金属机箱内。
5．3 应考虑将变频器、制动单元、接触器等噪声源与编码器、传感器等噪声接收装置分区隔离。控制电缆、电源电缆和电机电缆应分开安装，且要保证足够的距离。信号电缆应垂直穿越电源电缆。
5．4 可安装电源滤波器，对个别敏感设备，应单独安装电源滤波器。
5． 5各部分应做好去耦措施。
5．6 对继电器、接触器、电磁制动器等大量产生噪声的器件应考虑安装浪涌抑制器。
七、结束语
利用通讯方式来控制，是工业自动化实现网络管理、电脑控制及实现实时监控的一个前提条件和必要手段，也是当前的控制方式的一种趋势。
利用通讯的方式控制多台变频器，这样接线方便，外围电路简单。可实现电机动作的随意性。同时有利于以后功能的扩展。但在运用中必须将变频器的动作和命令正确理解，并且实际操作正确无误。这样才能做到对变频器运用自如。
