串行通信技术在发酵搅拌机变频调速控制系统中的应用

马 凯耿恒海

（1.南京科技职业学院，南京 210048；2.江苏奥赛康药业股份有限公司，南京 211112）

串行通信技术在发酵搅拌机变频调速控制系统中的应用

马 凯1耿恒海2

（1.南京科技职业学院，南京 210048；2.江苏奥赛康药业股份有限公司，南京 211112）

本文首先介绍发酵用搅拌机工作特性，提出一种基于串行通信技术的发酵搅拌机变频调速闭环控制系统设计方案，然后阐述变频器串行通信设置方法，利用VC++平台，使用MSComm控件编程完成计算机串行通信控制变频器，实现搅拌机闭环调速。

搅拌器 485通信 变频调速 MSComm

引言

搅拌混合是化工行业、制药行业生产过程中最常见、最重要的化工单元操作之一，包括对化工料浆的均化、分散等工艺过程。其主要目的是使生产过程中传质或传热过程加速，从能量转化角度来看，是机械能借助旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，因此形成罐内混合料浆的整体流动，快速完成传质或传热过程。

发酵搅拌机能增强空气泡在培养液中的细化和分散，进一步延长停留时间，增加气液两者间的接触，使空气中的氧气充分地被溶解，供培养菌呼吸快速繁衍生长。

搅拌速度在发酵中至关重要，它会直接影响溶氧量，合适的搅拌速度，氧气与发酵液能充分接触，使溶氧量增加，从而提高发酵罐内温度和营养物质质量浓度的均匀度、氧传递系数、氧的转移速率，有利于细胞的生长、产物的生成。但是如果搅拌速度过大，如用50Hz工频转速运转，则会使剪切速度过大，导致菌丝体受到损伤，影响菌丝体的正常代谢生长，还会产生大量泡沫，从而造成能量浪费。另外，溶氧量与单位搅拌功耗成正比，搅拌机功耗与搅拌转速的三次方成正比。

根据发酵搅拌机的工作特性，采用变频调速方可通过检测溶氧量实时调节搅拌器的转速，不仅能满足工艺要求，也会大大减少能量损耗。

1 系统设计方案

图1 系统结构框图

根据实际需求，此搅拌机变频调速闭环控制系统采用计算机、变频器、在线溶氧传感器构成，系统构成如图1所示。工作中，计算机，即上位机将预设值通过485串口传送给变频器，变频器控制发酵罐中搅拌机运转，发酵罐中的在线溶氧传感器将检测到的氧含量通过溶氧变送器反馈给上位机进行数据运算，如果数据小于预设下限值，上位机就给变频器发送升频数据，提高发酵罐中搅拌电机旋转速度；如果采集到的溶氧值大于预设上限值，则给变频器发送降频数据信息，减小搅拌速度；如果采集到的溶氧值在预设溶氧值区间内，则传送给变频器的数据维持不变。

2 系统硬件设计

2.1 ADAM-4520模块

常用串行通信接口标准有RS-232C和RS-485，其中，RS-232C接口采用全双工通讯模式，其特点单端收发，抗共模干扰能力较弱，传输速率较低，约20Kbps，通信距离短，10m左右；而RS-485接口标准采用平衡差分电路，抗干扰能力强，传输速率高，最高可达115.2Kbps，且传送距离远，能达到1 200m左右。考虑到上位机至现场有一定距离，以及为确保数据传输的可靠性和稳定性，本系统选择RS485接口标准来完成数据串行通信。

但一般计算机仅有一个RS-232C接口，如果要实现上位机和变频器的485通信，则需要利用转换模块将RS-232C转换为RS-485标准。本系统选用研华公司生产的亚当模块，型号为ADAM-4520，该模块是光电隔离型，提供高达直流3000V的隔离电压保护，其内置的电路可以自动控制收、发数据信号的传输方向，使用时只要将模块一端直接插在计算机DB9的RS-232C串口上，原有计算内RS-232C的通讯程序无需任何改动，就可以通过模块另一端实现RS-485方式远距离通信。

2.2 变频器485通信RJ45接口

变频器自带485通信是RJ45接口，8个口线的接口标号定义如图2所示，其中有①、③、④、⑤、⑥5根线需要与ADAM-4520转换模块的SG、SDA、RDB、RDA、SDB端子相连，实现串口通信的物理连接。

图2 变频器与ADAM-4520模块接线图

2.3 在线溶氧传感器Inpro6800

根据搅拌速度与溶氧系数密切关系，采用梅特勒-托利多的在线溶氧传感器Inpro6800实时监测发酵液中的氧含量，再通过溶氧变送器M400将数据反馈给计算机进行数据运算，对搅拌机转速进行闭环控制。

3 系统软件设计

3.1 变频器串行通信参数设置

为实现上位机和变频器的串行通信，需要预先对变频器的相关通信参数进行初始化设置。参数主要包括通信波特率、字节长度、停止位个数、奇偶校验及通信再试次数等。

如果没有对特定参数进行初始化设置，或进行了不正确的初始化设置，数据传输就会出现问题，且每次初始化设置后，还要对变频器进行复位操作，参数设置方可生效，需要设定的变频器参数如表1所示。

表1 FRE540变频器初始化参数设置

3.2 通信协议设定

上位机与变频器之间的半双工RS485串行通信时序如图3所示，其中，①为通信请求发送数据到变频器，②为变频器数据处理时间，③为从变频器返回计算机的数据，④为计算机处理延迟时间，⑤为计算机根据返回数据的应答。

图3 上位机与变频器串行通信时序图

对于①③⑤三个阶段是参数写入还是参数读出，是运行控制还是设定频率或是监视电机状态，通信协议中都有相关的数据格式来规定，具体格式如表2所示。

表2 数据类型及格式

表2中的ENQ、STX、ETX、ACK、NAK都是控制代码，其含义分别是通信的请求、数据传送开始、数据结束、未发现数据错误、发现数据错误，编程时它们都会用各自的ASCII码来表示。

图4 系统程序流程图

3.3 上位机编程

使用计算机编程控制串口有多种方法，其中常用的一种是微软的MSComm控件，另外还有一种是调用WinAPI函数。MSComm控件应用简单方便，但灵活性较差，且最多只能支持16个串口；WinAPI功能十分强大，可以针对不同的任务要求，应用方式灵活多样，但快速掌握有一定难度。

本项目应用VC++进行上位机编程，程序中利用MSComm控件，通过一个对话框程序，来实现对变频器的串行通信控制。MSComm控件的大部分属性都是可读可写的，设置控件属性后，添加控件的事件响应代码，就可以使串口根据任务要求进行工作，具体可划分为四个方面任务。

（1）加载控件：VC++开发环境在默认情况下，不会含有MSComm控件，所以使用控件编程必须将MSComm控件加载到VC++开发环境中。

（2）初始化及打开串口：初始化函数OnInitDialog()主要完成对串口的参数设置，包括所用的端口、波特率大小、数据位数、奇偶校验方式、停止位数等参数，这些参数设置必须要和变频器参数初始化设置保持一致，参数设置正确后，即可打开串口。

（3）事件处理：包括接收串行数据、发送串行数据和对通信错误进行处理等操作。通常此部分程序是一个选择分支结构，可使用if语句或者switch语句实现。

（4）关闭串口：当使用完串口后，应使用函数SetPortOpen(0)关闭串口，以释放串口资源。

3.4 控制系统流程图

系统程序流程图如图4所示，通过在线溶氧传感器Inpro6800和溶氧变送器M400将数据采集至计算机后，与溶氧下限值进行比较，如果小于溶氧下限值，则给变频器发送升频数据信息，增加发酵罐中搅拌电机旋转速度；如果采集到的溶氧值大于规定溶氧上限值，则给变频器发送降频数据信息，减小搅拌速度；当采集到的溶氧值在规定溶氧值区间内，传送数据保持不变。这样通过对溶氧量的在线监测，实时调整搅拌器的转速，满足了实际工艺要求，且节能效果明显。

4 结语

计算机对变频器直接控制，间接实现了搅拌器的转速操作，能在一定程度上降低原材料的消耗，其变频控制装置节约电能与风机水泵很接近，可达30%～35%，并且对发酵工艺过程的各项指标也有一定改善，具有明显的经济效益和社会效益，值得推广和应用。

[1]马凯．基于RS_485通信技术的PLC对矿井局部通风机变频调速实现[J].煤矿机械，2013，（7）：252-255.

[2]梅特勒-托利多.多参数变送器M400操作说明书[EB/OL].(2014-05-17)[2015-10-15]. http://www.docin.com/p-813436530.html.

[3]道客巴巴.三菱变频调速器FR-E500使用手册[EB/OL]. (2014-05-17)[2011-02-18]. http://www.doc88.com/ p-09792181022.html.

[4]刘书智.VC++实践与提高-串口通信与工程应用[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[5]王明衍，赵毅.一种基于RS- 485接口的通信方法[J].微计算机信息，2006，（1）：220-222.

Application of Serial Communication Technolog in Frequency Conversion and Speed Regulator of Fermentation Blender Control System

MA Kai1，GENG Henghai2
(1.Nanjing Polytechnic Inst itute ,Nanjing 210048;2.Ji angsu Aosaikang Pharmaceutical Co. Ltd Nanjing,Nanjing 211112)

This paper fir st introduce performance of fermentation blender , then put forward a design scheme of closedloop control system of frequency conversion and speed regulator in fermentation blender base on serial communication technolog, then expounds the se rial commun ication setting method of Inverter , complete computer control inverter using MSComm through the vc ++ platform, finally realize blender speed closed-loop control.

blender,RS485 s erial communication,frequency conversion speed regulator,MSComm

南京科技职业学院“科研北斗计划”创新平台建设项目（NJCC-2014-BD-JSXM-05）。