劉杰 羅慧 廖金焰 閔松 萬(wàn)淑蕓

1  前言

    現代的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中各種設備間需要相互交換信息，協(xié)調完成自動(dòng)控制功能，這就需要網(wǎng)絡(luò )的支持?；诖肆_克韋爾自動(dòng)化推出了由以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設備網(wǎng)所組成的開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò )。

    設備網(wǎng)（DeviceNet）是一種低成本的通信鏈接，它通過(guò)單根導線(xiàn)把可編程控制器直接和“智能”設備，如傳感器、按鈕、馬達起動(dòng)器、簡(jiǎn)單的操作員接口以及變頻器相連。它安裝調試簡(jiǎn)單，已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統。

    控制網(wǎng)（ControlNet）常傳輸大量的I/O和對等通訊信息，具有確定性和可重復性，它緊密的聯(lián)系控制器和I/O設備，使得多個(gè)控制器能夠共享輸入數據，實(shí)現對等通訊。

    以太網(wǎng)（Ethernet）以TCP/IP作為其傳輸協(xié)議，是一個(gè)開(kāi)放型的信息網(wǎng)絡(luò )，作為自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的最高層，可以對現場(chǎng)采集到的數據和信息進(jìn)行處理和管理。

    在實(shí)施網(wǎng)絡(luò )控制時(shí)，可以借助羅克韋爾自動(dòng)化的SLC500系列可編程控制器，簡(jiǎn)便的將設備網(wǎng)與以太網(wǎng)連接起來(lái)。本文介紹的羅克韋爾自動(dòng)化的開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò )構成的交流調速遠程控制實(shí)驗系統，可實(shí)現PC機僅通過(guò)一張以太網(wǎng)網(wǎng)卡而對底層的設備網(wǎng)的變頻器進(jìn)行控制和監視。這套系統網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單，并未使用控制網(wǎng)，但是這種簡(jiǎn)單有效的方法可以推廣用于其他的自動(dòng)化系統設計中。

2 以太網(wǎng)集成控制系統

2.1  簡(jiǎn)介

    羅克韋爾自動(dòng)化采用的三層網(wǎng)絡(luò )結構為工業(yè)自動(dòng)化提供理想的解決方案。在復雜的過(guò)程控制系統中，多個(gè)控制器和人機界面需要大量的數據傳輸，控制網(wǎng)是必不可少的，它提供的產(chǎn)生者/消費者數據交換方式能夠增強網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度。但是在不需要多個(gè)控制器協(xié)調控制的場(chǎng)合，可以簡(jiǎn)化控制網(wǎng)，這樣使得控制簡(jiǎn)單便于維護。用一個(gè)可編程控制器就可以取代控制網(wǎng)的地位，將設備網(wǎng)和以太網(wǎng)連接起來(lái)。這樣就可以有效的降低成本投入，實(shí)現有效的網(wǎng)絡(luò )控制。

2.2  設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)

    設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)是一種低成本高性能的工業(yè)設備網(wǎng)絡(luò )，它具有以下的特點(diǎn)：

    設備網(wǎng)應用國際標準的控制局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議，建立了設備網(wǎng)的應用協(xié)議。它具有公開(kāi)的技術(shù)規范和廉價(jià)的通信部件，使得其具有比其他現場(chǎng)總線(xiàn)低得多的開(kāi)發(fā)費用。

    設備網(wǎng)上使用制造者/消費者通信模式，能夠提高網(wǎng)絡(luò )通信效率。任何一個(gè)在設備網(wǎng)上的設備（制造者）只需發(fā)送一次報文，其他設備（消費者）如果需要該報文，就可以接受和使用。設備網(wǎng)提供的I/O報文適用于實(shí)時(shí)性要求較高和面向控制的數據。但是設備網(wǎng)的傳輸速度不高，有500Kbps、250Kbps、125Kbps三種速度可選。網(wǎng)絡(luò )上可以?huà)旖?/SPAN>64個(gè)設備。

    在調整和診斷設備時(shí)，可以隨意的連接或斷開(kāi)設備，使用Device Manager軟件可以靈活的對設備網(wǎng)管理和調試運行。

2.3  工業(yè)以太網(wǎng)

    羅克韋爾自動(dòng)化提出的工業(yè)以太網(wǎng)支持實(shí)時(shí)報文和非實(shí)時(shí)報文，其中的實(shí)時(shí)報文交換是建立在制造者/消費者通信模式之上的，能夠用于實(shí)時(shí)的I/O控制。以太網(wǎng)使用的是載波監聽(tīng)/錯誤檢測的通訊協(xié)議，當要減少網(wǎng)絡(luò )的沖突時(shí)，要注意以下方面：

    為了減少以太網(wǎng)上的報文沖突，可以使用全雙工的交換以太網(wǎng)。它能使實(shí)時(shí)I/O報文傳輸更加穩定。由于IP廣播報文的存在，使用IGMP snooping組播過(guò)濾技術(shù)，可以更有效的利用網(wǎng)絡(luò )帶寬。在以太網(wǎng)與底層網(wǎng)絡(luò )間進(jìn)行端口映射技術(shù)是實(shí)現實(shí)時(shí)傳輸的必備條件。

3 交流調速遠程控制系統的設計

3.1  實(shí)驗系統的結構

    如圖1所示， 1203-GK5為智能通訊模塊，它能夠將多種SCANport 設備與DeviceNet 聯(lián)接，而1305變頻器具有SCANport接口，所以1305變頻器可以由1203-GK5 聯(lián)接到設備網(wǎng)。設備網(wǎng)和以太網(wǎng)是通過(guò)SLC500連接在一起的。SLC500是一個(gè)系列的小型可編程控制器的總稱(chēng)，在此使用的必須是具備5/05的處理器并使用1747-SDN模塊，1747-SDN模塊是設備網(wǎng)上的掃描模塊，對設備網(wǎng)上的設備進(jìn)行掃描、檢測。5/05的處理器具備以太網(wǎng)接口，可以直接連接到以太網(wǎng)。這樣SLC500就是連接設備網(wǎng)和以太網(wǎng)的唯一設備。

圖1  系統的結構圖

3.2  網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸

    使用配套軟件RSNetWorx for DeviceNet可以簡(jiǎn)便的設置設備網(wǎng)。設置1747-SDN掃描模塊時(shí)，筆者選用離散I/O方式為網(wǎng)上的變頻器分配輸入輸出映射表，刷新時(shí)間可以設為2ms。配置完設備網(wǎng)后，以太網(wǎng)上的PC機就可以使用SLC500的編程軟件RSlogix 500對SLC編程，通過(guò)對SLC的輸入/輸出文件O₀和I₁的控制就能實(shí)現變頻器簡(jiǎn)單的正轉、反轉、點(diǎn)動(dòng)、清除錯誤等各種控制位的設置。但要實(shí)現可視化的上位工控機監測和控制，必須使用RSview32這種圖形化的人機界面軟件。

    控制和反饋數據的傳輸完全是端口間的I/O映射表完成的。如圖2所示，PC機的命令傳輸給SLC，改變相應的輸入/輸出文件O₀和I₁，掃描模塊1747-SDN根據建立的輸入輸出映射表，將O₀和I₁中的數據映射到相應的設備網(wǎng)上的1203-GK5通訊模塊上，然后通過(guò)SCANport接口直接映射到變頻器。

圖2  I/O映射表

    設備網(wǎng)上的變頻器都是以輪詢(xún)的方式與掃描模塊1747-SDN通信。1747-SDN發(fā)送查詢(xún)信息給一個(gè)變頻器，被查詢(xún)的變頻器發(fā)送響應信息給1747-SDN。1747-SDN就按照設置好的掃描列表，掃描整個(gè)設備網(wǎng)。這樣就建立了一個(gè)端口映射的通道。反饋變頻器的運行參數時(shí)，也是建立這樣一個(gè)通道。一個(gè)掃描周期就可以對網(wǎng)絡(luò )上所有設備掃描一遍，刷新它們的輸入輸出映射狀態(tài)。

    由于SLC中的O₀和I₁文件各有32個(gè)字，其中31個(gè)字可用。而每個(gè)變頻器有2到10個(gè)字的可調輸入/輸出字。當有很多變頻器在設備網(wǎng)上時(shí)，可以通過(guò)SLC的M_O（輸出）和M_I（輸入）文件實(shí)現類(lèi)似的端口映射。M_O和M_I文件分別具有150個(gè)字。

4 實(shí)驗系統運行結果及分析

    上位工控機使用RSview32人機界面軟件與RSlinx通訊軟件組態(tài)之后就能夠采集到SLC傳送來(lái)的數據，也是通過(guò)對O₀或I₁文件操作，從而對設備網(wǎng)上的變頻器進(jìn)行監視和控制。

    通過(guò)RSview32可以直觀(guān)的用圖形截面對整個(gè)系統的變化以曲線(xiàn)圖顯示。圖3為電機空載啟動(dòng)達到給定頻率后立即執行直流制動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中變頻器輸出電流、電壓、頻率曲線(xiàn)。使用2.2kW鼠籠電機，變頻器為1305-BA09A，其功率為4kW。變頻器的設置參數如下：加速時(shí)間為2s；給定頻率為30Hz；直流制動(dòng)的電壓為30V，時(shí)間為2s。

圖3  變頻器直流制動(dòng)狀態(tài)曲線(xiàn)

    圖3中可以明顯觀(guān)察到制動(dòng)時(shí)的電壓和電流。相對應的，圖4為使用自由停車(chē)的過(guò)程，可以看出，使用這種方式停車(chē)，變頻器的輸出電壓、電流均為零，電機是依據慣性停車(chē)。

圖4  變頻器自由停車(chē)狀態(tài)曲線(xiàn)

    RSview32是很方便的系統控制軟件，但它的刷新時(shí)間為50ms，所以顯示的曲線(xiàn)精度不高。低層設備網(wǎng)對上位工控機命令的響應有一定的滯后，但是這種方案可以滿(mǎn)足大多數實(shí)時(shí)控制系統。設備網(wǎng)的傳輸速度為125Kbps，每掃描一次的時(shí)間小于10ms，主要的延時(shí)是在以太網(wǎng)上。以太網(wǎng)中并沒(méi)有用路由器，而是簡(jiǎn)單的使用集線(xiàn)器連接，沒(méi)有使用IGMP snooping組播過(guò)濾技術(shù)有效的防止以太網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò )沖突。所以以太網(wǎng)數據傳輸延時(shí)的不確定性將會(huì )使這50ms的延時(shí)提高。

    系統實(shí)驗時(shí)，可以在PC機上使用RSlogix500軟件對SLC500編程，通過(guò)對O₀或I₁文件（已經(jīng)與變頻器建立映射關(guān)系）的讀寫(xiě)就能夠完成較為復雜的電機協(xié)調控制。再運用RSview32能夠以直觀(guān)的圖形化的界面對整個(gè)運行過(guò)程進(jìn)行監視和控制。這套交流調速遠程控制裝置穩定可靠，顯示出網(wǎng)絡(luò )控制的思想和意義。系統構成的方法可以作為遠程控制系統設計參考。