CN111078247A - 一种基于网络通信的变频器调试及升级装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于网络通信技术领域，公开了一种基于网络通信的变频器调试及升级装置及方法，将现场调试完成的程序通过下位机的主程序、通信程序直接下载到下位机，再通过与上位机的配合进行历史数据查询、分析出现故障时的异常波形，排查故障。本发明使用网络通信方式实现变频器监控调试，可远程调试变频器各项参数；增加了变频器在线升级程序功能，通过上位机与变频器之间的通信协议和网络通信芯片在线烧写DSP程序；通过上下位机的配合实现虚拟仪器功能，在现场调试时将上位机当做示波器使用；通过历史数据查询功能可以分析出现故障时的异常波形，排查故障原因。
Description
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种基于网络通信的变频器调试及升级装置及方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：
专利号为103558473A的专利公开了一种基于人机交互界面的变频器现场调试系统及其方法，包括传动控制单元和人机交互单元。用户通过人机交互单元和传动控制单元的通信协议，对参数列表模块中变频器参数进行修改。该发明提供了一种变频器现场调试系统，提高了变频器的调试效率。
上述方案的特点在于不用连接仿真器，直接通过通信线接收变频器运行过程中的各项数据，并实时调试控制参数。但是由于变频器每次开机程序都会初始化，参数无法永久修改，该调试系统只能在调试过程中使用，调试完成后需要修改程序，最终还需要将程序通过仿真器下载到控制器板上，无法实现在线升级程序；而且由于通信方式的限制，无法传输大量数据，就无法观测各状态量的实时波形，现场调试需要接其他设备观测电压电流等波形。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术中，网络通信变频器远距离调设备调试完成后不能直接更新程序，不能直观的观测到电压电流波形，不能分析出现故障时的异常波形，排查故障原因。
而且现有技术中，现场调试过程中拆装观测设备繁琐。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于网络通信的变频器调试及升级装置及方法。
本发明的目的在于提供能基于TCP网络通信变频器远距离调试装置，能够在调试完成后直接更新程序，而且该装置还附带虚拟仪器功能，可以不用携带示波器、电压电流探头等检测工具就观测到电压电流波形，避免了现场调试过程中拆装观测仪器的繁琐操作。
本发明是这样实现的，一种基于网络通信的变频器调试及升级方法，包括：
将现场调试完成的程序通过下位机的主程序及通信程序直接下载到下位机，再通过与上位机的配合进行历史数据查询、分析出现故障时的异常波形，排查故障。
进一步，所述下位机主程序运行方法包括：
系统初始化，完成对系统变量初始化，PWM输出端口的配置，I/O口的配置，中断配置，A/D采样模块配置；
系统完成初始化后通过中断程序检测系统各项状态变量，并进入主循环；
在主循环中实现各项通信功能，并等待中断执行。
中断程序运行方法包括：执行矢量控制算法进行矢量控制中的转速监测，坐标变换，磁链计算，SVPWM调制以及调节器运算；
并通过PWM波中断中完成周期性对电流电压检测，发生故障时，立即封锁PWM脉冲，将检测到的故障信号进行故障反馈。
进一步，矢量控制算法运算过程中采样到的三相输入输出电流、中间电压、输出频率以及控制过程中计算得到的Id和Iq，将这些值或运行过程中的波形通过上位机端进行显示；
具体包括：
(1)各种电压电流波形在系统采样时直接传递给通信模块，在中断间隔将采集的各种电压电流波形信息发送给上位机，运算前将所需各种电压电流波形信息传递出去；
(2)将矢量控制过程中的中间变量信息，在每次中断运行过程中对通信中间变量赋值，中断结束后将更新的值发出去；
(3)将上位机发送的控制参数赋值给PI控制参数调节程序，每次进行矢量控制运算时，调用PI控制参数调节程序，达到在线调试。
进一步，通信程序运行方法包括：
下位机检测到有来自上位机的TCP连接请求时，建立网络连接，并在执行中断程序的间隔时间变频器向上位机发送实时数据信息和接收来自上位机的控制指令；当通信程序接收到升级程序指令时，将接收到的程序代码存放到指定位置，并在下位机重新上电开机时进行升级。
进一步，建立网络连接的方法包括：
下位机的网络连接，配置网络通信控制芯片，处于网络侦听状态，当侦听到上位机连接信号后进入连接状态，与上位机通信；没侦听到网络连接信号时下位机正常运行；
上位机网络连接，通过LabVIEW界面自带的TCP侦听附件侦听和连接下位机硬件电路，并实现上下位机之间的网络通信。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于网络通信的变频器调试及升级方法的基于网络通信的变频器调试及升级装置，所述基于网络通信的变频器调试及升级装置包括：
下位机，包括变频器，所述变频器实现数据的实时监测，并将监测数据通过SPI通信发送给网络通信芯片；
网络通信硬件电路，用于完成对数据的缓存和加工处理，并通过网线传输给上位机；
上位机，包括LabVIEW界面，所述LabVIEW界面用于将接收到的数据以图形的形式显示出来，并将重要的数据存储下来，出现故障时调用历史数据分析故障时的波形；还通过网络通信电路将控制信号发送给下位机，控制下位机动作。
进一步，所述以太网通信硬件电路包括：
以太网通信硬件电路模块，用于实现上下位机之间数据处理和传递；
以太网通信模块，硬件连接图如图1中间括号所示。用于现上下位机之间数据通信；
网络通信控制芯片，用于实现上下位机间数据转换；网络通信控制芯片与下位机DSP之间通过SPI接口连接；
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与网络通信控制芯片相连；
RJ45接口，带有隔离变压器的网线口插座，用于上位机与TVS二极管芯片通信连接；后端接入TVS二极管，用于防止浪涌；
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与网络通信控制芯片相连。
进一步，上位机包括：上位机软件GUI单元，位于上位机的PC端LabVIEW调试界面上，用于实现PC机与DSP命令交互和升级代码传输；
上位机软件GUI单元包括：人机交互模块、程序升级模块、数据通信处理以及存储模块；人机交互界面主要实现选择变频器工作模式、调试变频器控制参数、实时显示变频器运行数据和故障报警信息的功能；数据通信和处理模块主要实现上下位机的数据的传递和转换；数据存储模块实现实时数据的存储及历史数据查询功能；程序升级模块通过和下位机的通信协议将升级代码解析后发送给DSP实现变频器在线升级程序的功能；
下位机还包括：
主程序模块，用于系统初始化，系统的状态检测，进入主循环等待中断；
中断程序模块，执行上位机的矢量控制算法，实现运行过程中的保护功能；
通信模块，实现与上位机的通信。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于网络通信的变频器调试及升级方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明使用网络通信方式实现变频器监控调试，可远程调试变频器各项参数；增加了变频器在线升级程序功能，通过上位机与变频器之间的通信协议和网络通信芯片在线烧写DSP程序；通过上下位机的配合实现虚拟仪器功能，在现场调试时将上位机当做示波器使用；通过历史数据查询功能可以分析出现故障时的异常波形，排查故障原因。
本发明在变频器在线监控测试平台基础之上，增加在线升级程序功能，可以将现场调试完成的程序通过该方法直接下载到控制器上，减少了现场调试人员的拆装工作，也方便了变频器售后更新程序；而且本装置增加了虚拟仪器功能和历史数据查询功能，在调试和正常运行过程中可以不用接示波器等设备就观测变频器运行过程中的电压电流等波形，方便了技术人员现场调试和故障排查。
本发明中的网络TCP/IP通信在线升级程序的方法，可以通过JTAG、UART、SPI、CAN等多种编程接口实现，但其他通信方式实现时通信距离、速率、抗干扰性等方面不如网络通信方式。上位机界面还可以用其他组态软件编写，但是其他组态软件的网络通信控件不如LabVIEW的简单好用，且界面设计更加人性化。
最常用的变频器程序程序升级是通过JTAG口直接烧写，但是这种方法需要拆开变频器外壳，露出变频器电控板上的JTAG端口，现场操作耗时费力又不安全。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于网络通信的变频器调试及升级装置示意图。
图2是本发明实施例提供的上位机程序图。
图3是本发明实施例提供的下位机主程序流程图。
图4是本发明实施例提供的下位机通信流程图。
图5是本发明实施例提供的矢量控制算法原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，网络通信变频器远距离调设备调试完成后不能直接更新程序，不能直观的观测到电压电流波形，不能分析出现故障时的异常波形，排查故障原因。而且现有技术中，现场调试过程中拆装观测设备繁琐。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于网络通信的变频器调试及升级装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于网络通信的变频器调试及升级方法，包括：
将现场调试完成的程序通过下位机的主程序及通信程序直接下载到下位机，再通过与上位机的配合进行历史数据查询、分析出现故障时的异常波形，排查故障。
在本发明实施例中，所述下位机主程序运行方法包括：
系统初始化，完成对系统变量初始化，PWM输出端口的配置，I/O口的配置，中断配置，A/D采样模块配置。
系统完成初始化后通过中断程序检测系统各项状态变量，并进入主循环；
在主循环中实现各项通信功能，并等待中断执行。
中断程序运行方法包括：执行矢量控制算法进行矢量控制中的转速监测，坐标变换，磁链计算，SVPWM调制以及调节器运算。
并通过PWM波中断中完成周期性对电流电压检测，发生故障时，立即封锁PWM脉冲，将检测到的故障信号进行故障反馈。
在本发明实施例中，矢量控制算法运算过程中采样到的三相输入输出电流、中间电压、输出频率以及控制过程中计算得到的Id和Iq，将这些值或运行过程中的波形通过上位机端进行显示。
具体包括：
(1)各种电压电流波形在系统采样时直接传递给通信模块，在中断间隔将采集的各种电压电流波形信息发送给上位机，运算前将所需各种电压电流波形信息传递出去。
(2)将矢量控制过程中的中间变量信息，在每次中断运行过程中对通信中间变量赋值，中断结束后将更新的值发出去。
(3)将上位机发送的控制参数赋值给PI控制参数调节程序，每次进行矢量控制运算时，调用PI控制参数调节程序，达到在线调试。
在本发明实施例中，通信程序运行方法包括：
下位机检测到有来自上位机的TCP连接请求时，建立网络连接，并在执行中断程序的间隔时间变频器向上位机发送实时数据信息和接收来自上位机的控制指令；当通信程序接收到升级程序指令时，将接收到的程序代码存放到指定位置，并在下位机重新上电开机时进行升级。
在本发明实施例中，建立网络连接的方法包括：
下位机的网络连接，配置网络通信控制芯片，处于网络侦听状态，当侦听到上位机连接信号后进入连接状态，与上位机通信；没侦听到网络连接信号时下位机正常运行。
上位机网络连接，通过LabVIEW界面自带。
基于上述基于网络通信的变频器调试及升级方法，本发明实施例提供的基于网络通信的变频器调试及升级装置包括下位机、以太网通信硬件电路和上位机三个部分。如图1所示。
下位机包括变频器，所述变频器实现数据的实时监测，并将监测数据通过SPI通信发送给网络通信芯片。
网络通信硬件电路，用于完成对数据的缓存和加工处理，并通过网线传输给上位机(PC端)。
上位机包括LabVIEW界面，所述LabVIEW界面用于将接收到的数据以图形的形式显示出来，并将重要的数据存储下来，出现故障时调用历史数据分析故障时的波形。同样的，上位机也可以通过网络通信电路将控制信号发送给下位机，控制下位机动作。
LabVIEW界面通过客户端/服务器(C/S)模式实现网络通信，变频器(下位机)设置为服务器模式，一直侦听网络连接信号，一旦客户端(上位机)发出连接命令就建立连接并发送数据给客户端，并接收客户端发送过来的控制信息，实现上下位机之间的网络通信。
在本发明实施例中，以太网通信硬件电路包括：
以太网通信硬件电路模块，用于实现上下位机之间数据处理和传递。
以太网通信模块，硬件连接图如图1中间括号所示。用于现上下位机之间数据通信。
网络通信控制芯片W5500，用于实现上下位机间数据转换。网络通信控制芯片W5500与下位机DSP之间通过SPI接口连接。
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与网络通信控制芯片W5500相连。
RJ45接口，带有隔离变压器的网线口插座，用于上位机与TVS二极管芯片通信连接。后端接入TVS二极管，用于防止浪涌。
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与W5500相连。
网络通信控制芯片W5500作为从机与下位机DSP进行SPI通信，DSP作为主机向W5500芯片发送一系列指令实现W5500芯片的配置，使硬件电路实现数据中转处理，将DSP发来的信号转化成网络信号发送给上位机的网络通信控件，并将接收到的网络信号经处理后转化为串行数据发送给DSP。
在本发明实施例中，上位机包括：上位机软件GUI单元，用于实现PC机与DSP命令交互和升级代码传输。
上位机软件GUI单元，位于上位机的PC端LabVIEW调试界面上。根据IP地址和远程端口号监听目标信号，匹配之后，使用TCP发送和TCP接收控件与下位机交换数据，完成上下位机之间的通信。用户可以通过上位机软件GUI单元接收下位机DSP发送过来的监控信号并通过界面显示出来，也可以发送各种控制指令及传输升级代码给下位机的DSP芯片。
在本发明实施中，上位机软件GUI单元(如图2所示)主要包括几个部分：人机交互模块、程序升级模块、数据通信处理以及存储模块。人机交互界面主要实现选择变频器工作模式、调试变频器控制参数、实时显示变频器运行数据和故障报警信息的功能；数据通信和处理模块主要实现上下位机的数据的传递和转换；数据存储模块实现实时数据的存储及历史数据查询功能；程序升级模块通过和下位机的通信协议将升级代码解析后发送给DSP实现变频器在线升级程序的功能。
在本发明实施例中，下位机程序用于实现变频器功能并配合上位机实现网络通信调试。
下位机的主程序流程图如图3所示，主要包括主程序，中断程序以及通信程序三大块。
主程序的主要作用有：系统初始化，系统的状态检测，进入主循环等待中断等。其中系统初始化需要完成对系统变量初始化，PWM输出端口的配置，I/O口的配置，中断配置，A/D采样模块配置等。系统完成初始化后通过中断程序检测系统各项状态变量，并进入主循环，在主循环中实现各项通信功能，并等待中断执行。
中断程序主要执行变频器的矢量控制算法，并实现运行过程中的保护功能。PWM中断程序采用的是周期中断的方式，系统在每个开关周期内都会进一次中断，在中断中完成A/D采样，采样频率与开关频率相同。还完成了矢量控制中的转速监测，坐标变换，磁链计算，SVPWM调制以及调节器运算等。当发生故障时，立即封锁PWM脉冲，并将检测到的故障信号进行故障反馈。
下位机的通信流程图如图4所示，通信程序实现与上位机的通信。当下位机检测到有来自上位机的TCP连接请求时，建立网络连接，并在执行中断程序的间隔时间变频器向上位机发送实时数据信息和接收来自上位机的控制指令。当通信程序接收到升级程序指令时，将接收到的程序代码存放到指定位置，并在变频器重新上电开机时升级程序。
在本发明实施例中，建立网络连接中，下位机的网络连接是通过现有的W5500芯片及配套硬件电路实现的，在下位机程序中配置W5500芯片，使之一直处于网络侦听状态，当侦听到上位机连接信号后进入连接状态，与上位机通信，实现本装置功能；没侦听到网络连接信号时变频器正常运行，本装置不起作用。
上位机网络连接是通过LabVIEW自带的TCP侦听附件侦听和连接下位机硬件电路，并实现上下位机之间的网络通信。
在本发明实施例中，矢量控制算法是通过检测变频器输入电机的三相电流，来控制变频器动作的，具体工作原理见图5。
本发明装置需要用到矢量控制算法运算过程中采样到的三相输入输出电流、中间电压、输出频率以及控制过程中计算得到的Id和Iq；并将这些值或运行过程中的波形通过本装置在上位机端显示出来，以便现场调试人员查看机组运行状态。而且在整个矢量控制过程中，本装置还可以修改各个PI控制环节的PI参数，以寻求最优控制效果。
具体实现方式如下：(1)本装置需要用到的各种电压电流波形在系统采样时就直接传递给通信模块，在中断间隔将该信息发送给上位机，在矢量控制算法运算之前将所需信息传递出去；(2)本装置所用到的矢量控制算法过程中的中间变量信息，在每次中断运行过程中对通信中间变量赋值，中断结束后通过本装置将更新的值发出去；(3)PI控制参数调节是通过本装置将上位机发送的控制参数赋值给一个变参数程序，在每次进行矢量控制运算时，调用该程序，从而达到在线调试的目的。
下面结合效果对本发明作进一步描述。
在本发明实施例中，本发明中的网络TCP/IP通信在线升级程序的方法，可以通过JTAG、UART、SPI、CAN等多种编程接口实现，但其他通信方式实现时通信距离、速率、抗干扰性等方面不如网络通信方式。上位机界面还可以用其他组态软件编写，但是其他组态软件的网络通信控件不如LabVIEW的简单好用，且界面设计更加人性化。
最常用的变频器程序升级是通过JTAG口直接烧写，但是这种方法需要拆开变频器外壳，露出变频器电控板上的JTAG端口，现场操作耗时费力又不安全。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于网络通信的变频器调试及升级方法，其特征在于，所述基于网络通信的变频器调试及升级方法包括：
将现场调试完成的程序通过下位机的主程序及通信程序直接下载到下位机，再通过与上位机的配合进行历史数据查询、分析出现故障时的异常波形，排查故障。
2.如权利要求1所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法，其特征在于，所述下位机主程序运行方法包括：
系统初始化，完成对系统变量初始化，PWM输出端口的配置，I/O口的配置，中断配置，A/D采样模块配置；
系统完成初始化后通过中断程序检测系统各项状态变量，并进入主循环；
在主循环中实现各项通信功能，并等待中断执行。
中断程序运行方法包括：执行矢量控制算法进行矢量控制中的转速监测，坐标变换，磁链计算，SVPWM调制以及调节器运算；
并通过PWM波中断中完成周期性对电流电压检测，发生故障时，立即封锁PWM脉冲，将检测到的故障信号进行故障反馈。
3.如权利要求2所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法，其特征在于，矢量控制算法运算过程中采样到的三相输入输出电流、中间电压、输出频率以及控制过程中计算得到的Id和Iq，将这些值或运行过程中的波形通过上位机端进行显示；
具体包括：
(1)各种电压电流波形在系统采样时直接传递给通信模块，在中断间隔将采集的各种电压电流波形信息发送给上位机，运算前将所需各种电压电流波形信息传递出去；
(2)将矢量控制过程中的中间变量信息，在每次中断运行过程中对通信中间变量赋值，中断结束后将更新的值发出去；
(3)将上位机发送的控制参数赋值给PI控制参数调节程序，每次进行矢量控制运算时，调用PI控制参数调节程序，达到在线调试。
4.如权利要求1所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法，其特征在于，通信程序运行方法包括：
下位机检测到有来自上位机的TCP连接请求时，建立网络连接，并在执行中断程序的间隔时间变频器向上位机发送实时数据信息和接收来自上位机的控制指令；当通信程序接收到升级程序指令时，将接收到的程序代码存放到指定位置，并在下位机重新上电开机时进行升级。
5.如权利要求4所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法，其特征在于，建立网络连接的方法包括：
下位机的网络连接，配置网络通信控制芯片，处于网络侦听状态，当侦听到上位机连接信号后进入连接状态，与上位机通信；没侦听到网络连接信号时下位机正常运行；
上位机网络连接，通过LabVIEW界面自带的TCP侦听附件侦听和连接下位机硬件电路，并实现上下位机之间的网络通信。
6.一种实施权利要求1所述基于网络通信的变频器调试及升级方法的基于网络通信的变频器调试及升级装置，其特征在于，所述基于网络通信的变频器调试及升级装置包括：
下位机，包括变频器，所述变频器实现数据的实时监测，并将监测数据通过SPI通信发送给网络通信芯片；
网络通信硬件电路，用于完成对数据的缓存和加工处理，并通过网线传输给上位机；
上位机，包括LabVIEW界面，所述LabVIEW界面用于将接收到的数据以图形的形式显示出来，并将重要的数据存储下来，出现故障时调用历史数据分析故障时的波形；还通过网络通信电路将控制信号发送给下位机，控制下位机动作。
7.如权利要求6所述的基于网络通信的变频器调试及升级装置，其特征在于，所述以太网通信硬件电路包括：
以太网通信硬件电路模块，用于实现上下位机之间数据处理和传递；
以太网通信模块，用于现上下位机之间数据通信；
网络通信控制芯片，用于实现上下位机间数据转换；网络通信控制芯片与下位机DSP之间通过SPI接口连接；
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与网络通信控制芯片相连；
RJ45接口，带有隔离变压器的网线口插座，用于上位机与TVS二极管芯片通信连接；后端接入TVS二极管，用于防止浪涌；
TVS二极管芯片，后端传输差分信号和接受差分信号分别与网络通信控制芯片相连。
8.如权利要求6所述的基于网络通信的变频器调试及升级装置，其特征在于，上位机包括：上位机软件GUI单元，位于上位机的PC端LabVIEW调试界面上，用于实现PC机与DSP命令交互和升级代码传输；
上位机软件GUI单元包括：人机交互模块、程序升级模块、数据通信处理以及存储模块；人机交互界面主要实现选择变频器工作模式、调试变频器控制参数、实时显示变频器运行数据和故障报警信息的功能；数据通信和处理模块主要实现上下位机的数据的传递和转换；数据存储模块实现实时数据的存储及历史数据查询功能；程序升级模块通过和下位机的通信协议将升级代码解析后发送给DSP实现变频器在线升级程序的功能；
下位机还包括：
主程序模块，用于系统初始化，系统的状态检测，进入主循环等待中断；
中断程序模块，执行上位机的矢量控制算法，实现运行过程中的保护功能；
通信模块，实现与上位机的通信。
9.一种实现权利要求1～5任意一项所述基于网络通信的变频器调试及升级方法的信息数据处理终端。
10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的基于网络通信的变频器调试及升级方法。
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