采用LS 通信协议的蠕动泵控制系统设计❋

陶金牛，李锡文

（1.华中科技大学，湖北 武汉 430074；2.空军第一航空学院，河南 信阳 464000）

0 引言

蠕动泵，又称软管泵，按工作原理属于容积泵。工作时，流体位于密封的软管内，滚轮对软管挤压产生吸力［1］，可以传输具有腐蚀性和剪切力敏感的流体［2］，因此被广泛应用于制药、食品和化工行业。

目前，小流量蠕动泵使用较多，其传输的流体黏性低，流量以mL3／min计，采用直流调速驱动。而传输大传输流量（超过103L／h）、高黏度流体时应采用变频调速驱动的蠕动泵，但目前这种应用还不完善。为了实现某定量加料系统中的自动运行和远程控制，本文针对采用LS变频器的大流量蠕动泵，基于虚拟仪器技术，完成了其控制系统的开发。

1 蠕动泵控制系统设计方案

1.1 蠕动泵控制系统硬件组成

蠕动泵控制系统硬件组成如图1所示。通过基于LS专用通信协议编写的控制软件，实现上位机与蠕动泵之间的数据交换，实时改变转速并获取当前的运行参数。由于采用的是RS485半双工异步（UART）通信，最大可靠通信距离达到700m，因此上位机和变频器能够布置在不同的场所，实现远程操纵。另外，变频器与蠕动泵之间支持最大电缆长度为500m，也能够实现分开放置。

1.2 控制软件原理

上位机控制软件使用LabVIEW进行编写。Lab－VIEW图形化编程语言具有完善的人机交互控件，并具有丰富的函数库和仪器驱动，可以方便地将各厂商的硬件集成到系统中。本软件各功能主要是对串口通信协议的调用，所以，编程的实质是使用LabVIEW中VISA串口通信模块实现LS通信协议的各种功能。

图1 蠕动泵控制系统硬件组成

2 LS协议分析

系统使用LS公司生产的SV－iG5系列变频器，它支持 Modbus－RTU、Modbus－ASCⅡ通信协议和 LS公司开发的串行通信协议LS－BusASCⅡ。Modbus协议的应用比较常见，而LS协议目前主要应用于LS旗下的变频器、PLC等产品中。

2.1 物理层

LS通信协议支持RS－485接口，允许“两线结构”的点对点和点对多的数据传输，LS两线制拓扑结构如图2所示，图2中S＋，S－，CM对应着RS485接口的逻辑1、逻辑0和公共地，最多可以支持16台变频器。

2.2 协议原理

LS－BusASCⅡ是一个主／从协议，变频器作为从机，计算机作为主机。在同一时刻只有一个主站和多个从站连接于通信线路中，信息通信总是由主站发起，从站在没有收到来自主站的请求时不发送数据，从站之间不发生通信。

图2 LS两线制拓扑结构

类似于 Modbus－ASCⅡ协议，LS－BusASCⅡ协议中数据以十六进制ASCⅡ码的形式传输［3］。例如，上位机要发送十进制数值“3000”给变频器，则首先要将其转换为十六进制字符串“0BB8”，然后将每个字符转换为十六进制ASCⅡ码“30h42h43h38h”进行传输。上位机接收变频器的数据时，执行相反的过程。

2.3 报文格式

LS－BusASCⅡ协议报文遵守严格的格式和字符长度限制。协议规定了3种基本报文格式：请求、应答回复和拒绝应答回复。同时还规定了4种功能码，分别是“R”，“W”，“X”和“Y”，代表4种基本操作：读取寄存器、写入寄存器、监控注册和监控读取。这4种基本操作的请求、应答回复和拒绝应答回复报文各不相同，具体包含的字节见表1。

表1 LS－BusASCⅡ协议详细报文格式及长度

表1中，Drive No为仪器编号相当于仪器的地址，在报文中占用2个字节，从站编号从01开始，最大为0F，上位机指定发送的对象需要与变频器I／O－46参数中的字符一致；Address为寄存器地址，变频器中不同地址的寄存器对应着不同的功能，改变或读取其中的值，可以改变或获取蠕动泵的运行状态；协议采用了名为“SUM”的求和校验，SUM值是全部有效字节（不带头尾码）的十六进制ASCⅡ码相加后所得数值的低八位，SUM值首先由发送设备计算，然后将其转换为字符串附在报文中，接收设备再次计算，并将计算结果与实际接收到的SUM值进行比较，如果不相等，则报错。

3 程序编写

3.1 程序流程

系统的程序运行界面如图3所示，主要功能有蠕动泵的正转、反转和停止，以及电压、电流、频率的设定与监控。这些功能按触发条件可以分为3类：按钮触发、旋钮触发和无动作触发。

按钮触发包括蠕动泵的正转、反转和停止，这些指令通过点击前面板上的布尔控件触发，不点击不执行，而且执行时要从程序的其他分支跳出。旋钮触发包括频率和转速的设定，这种设定是实时的，改变了旋钮的位置，蠕动泵的转速就随之改变。电压、电流、频率的监控显示功能属于无动作触发一类，而且需要实时更新，为了简化程序，我们把旋钮触发和无动作触发放在同一个程序分支中。主程序流程如图4所示。

图3 程序运行界面

主程序是一个while循环结构，每一次循环都要监测“正转按钮”、“反转按钮”和“停止按钮”的值，并把这些值赋给一个一维数组，然后利用“搜索数组”函数获取按钮状态变量，用这个变量去触发条件结构的分支。例如，当“正转按钮”被按下，“搜索数组”函数输出的值就为0，程序就执行值为0的条件分支，若无按钮按下，“搜索数组”函数的值为－1。

3.2 程序结构

支持模块化编程是LabVIEW开发环境的一个优点，模块化使得程序更加合理，层次也更加分明。整个程序的VI结构如图5所示。

子程序“正转指令”的程序框图如图6所示，需要说明的是，头码和尾码并不存在于LabVIEW默认的ASCⅡ编码表中，因此，在子程序中直接用十六进制字符串常量05h和06h作为输入。其他命令字符只需要按照表1中所列协议格式编写程序即可生成。

图4 主程序流程图

4 结语

本文分析总结了LS通信协议的规则和原理，在编程中采用了将LS协议字符串生成与串口操作分离的子程序结构，这种结构可以减少串口读写次数，使主程序的结构更加灵活，调试也更方便。所构建的蠕动泵控制程序，实现了对蠕动泵的远程控制和监控，稳定性和实时性较好，已在某定量加料系统中投入了使用。

图5 主程序VI结构

图6 正转指令子VI

［1］ 张万成.蠕动泵及其应用［J］.化工自动化及仪表，1986（6）：69－71.

［2］ 刘显军.蠕动泵的结构原理及其应用［J］.流体机械，1998（12）：38－40.

［3］ 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所.GB／T 19582.1—2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范［S］.北京：中国标准出版社，2008：1－48.