基于DeviceNet網絡的變頻器集成控制

一、基于DeviceNet的自動化網絡結構
隨著現場總線和網絡技術的發展，自動化系統網絡結構已由單一的“集中式”(DCS)、“分層式”(MAP)，發展到現在的多層開放的混合結構體系。羅克韋爾公司提出了三層網結構體系，由設備層 (DeviceNet)、控制和自動化層 (ControlNet)、信息層 (EtherNet)組成，如圖 1所示。DeviceNet是基于現場總線技術的工業標準開放網絡，用于簡單的低層工業裝置 (傳感器、拖動裝置、閥門、開關等 )與高層設備 (計算機、PLC)之間提供連接。控制和自動化層是一個開放型的現代化控制網絡，它滿足連接PLC處理器、I/O、計算機、操作員界面以及其他智能設備所需的實時、高信息吞吐量應用的要求。通過使用生產者 /用戶模式，控制網絡具備I/O網絡和對等網絡的功能，同時也提供這兩個網絡的高速性能。ControlNet是一種高速確定性網絡，它作為控制器和I/O設備之間一條高速通信鏈路 (數據傳輸速度達5Mb/ｓ)，為對等通信提供實時控制和報文傳送服務。它對于同一鏈路上的I/O、實時互鎖、對等通信報文傳送和編程操作，均具有相同的帶寬；對于離散和連續過程控制，均具有確定性和重復性；可對輸入數據和對等通信數據進行多信道廣播。信息層采用現在最流行的以太網，它將控制系統與監視和信息管理系統集成起來。通過以太網，用于監控的可編程控制器、工業計算機工作站以及高級商用計算機系統可以存取設備層和控制層的生產現場信息，這樣的信息可用于數據采集、監控、計劃管理、統計質量控制、遠程設備維護、生產流程以及物料跟蹤等。

二、DeviceNet網絡特點
在現代的控制系統中，不僅要求現場設備完成本地的控制、監視、診斷等任務，還要能通過網絡與其他控制設備及PLC進行對等通信，因此現場設備多設計成內置智能式。基于這樣的現狀，美國RockwellAutomation公司于 1 994年推出了DeviceNet網絡，實現低成本高性能的工業設備的網絡互連。DeviceNet具有如下特點：
（1）DeviceNet基于CANBUS技術，它可連接開關、變頻調速設備、固態過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為 125～ 500kb/ｓ，每個網絡的最大節點數是64個，干線長度 100～500m。
（2）DeviceNet使用的通信模式是 :生產者 /客戶(Producer/Consumer)。該模式允許網絡上的所有節點同時存取同一源數據，網絡通信效率更高；采用多信道廣播信息發送方式，各個客戶可在同一時間接收到生產者所發送的數據，網絡利用率更高。生產者 /客戶模式與傳統的“源 /目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網絡節點同步化，網絡效率高；后者采用應答式，如果要向多個設備傳送信息，則需要對這些設備分別進行“呼”、“應”通信，即使是同一信息，也需要制造多個信息包，這樣，增加了網絡的通信量，網絡響應速度受限制，難以滿足高速的、對時間苛求的實時控制。
（3）設備可互換性。各個銷售商所生產的符合DeviceNet網絡和行規標準的簡單裝置 (如按鈕、電機起動器、光電傳感器、限位開關等 )都可以互換，為用戶提供靈活性和選擇性。
（4）DeviceNet上的設備可以隨時連接或斷開，而不會影響網上其他設備的運行，方便維護和減少維修費用，也便于系統的擴充和改造。
（5）DeviceNet上網的設備安裝比傳統的I/O布線更加節省費用，尤其是當設備分布在幾百米范圍內時，更有助于降低布線安裝成本。
（6）利用RSNetworkfor DeviceNet軟件可方便地對網上設備進行配置、測試和管理。網上設備以圖形方式顯示工作狀態，一目了然。
三、變頻器與DeviceNet的連接

DeviceNet變頻器系統結構如圖 2所示，各種拖動裝置通過DeviceNet通信模塊 1203GK5(也可選擇內置式的 1336GM5通信模板 )連接到DeviceNet上，可編程控制器通過掃描模塊SDN去獲取網上信息及控制網上設備；而運行RSNetworkfor DeviceNet軟件的個人計算機，則可通過接口模塊KFD去組態及管理網絡。1305、1336、1557是幾種不同系列的變頻器，可直接控制電動機的運行狀態，如啟停、加減速、調速、故障診斷、保護等。PanelView是人機界面操作終端，它可取代現場的開關按鈕、顯示儀表等；通過PanelBuilder軟件組態，建立Tag與PLC數據文件交換信息，實現對網上設備操作、狀態顯示、故障報警等功能。DeviceNet掃描器作為PLC和現場設備之間的接口，其作用是進行設備數據的采樣和格式轉換。當用RSNetworkfor DeviceNet軟件將網上某些設備指定由具體的一臺掃描器監控后，該臺SDN所屬的PLC處理器運行時，SDN依次掃描各設備，采樣其參數，轉換成PLC接受的數據格式供PLC處理器讀取，并將PLC處理器處理后的輸出數據轉換成各設備可以接受的格式。這種將傳統的PLC的循環掃描工作分成專司數據處理的處理器和負責數據采集、發送、緩沖及格式轉換的掃描器的方式，能使整個系統維護方便，通用性加強；同時，處理器和掃描器并行工作也使處理器的輸出對輸入的響應時間縮短，有利于實現實時閉環控制。
四、DeviceNet網絡上變頻器的控制

圖3是PLC5通過掃描器、DeviceNet接口模塊和1336Plus變頻器進行數據交換的示意圖。信息交換有兩種方式 :一種是通過映射 (MAP)，最多允許 10個字的輸入和 10個字的輸出；映射方式可將網上多臺設備的某些信息映射到掃描器的同一緩沖區間，再通過塊傳送指令與PLC交換，也就是說，PLC通過同一條塊傳送指令就可實現對網上多臺設備的操作。另一種是對確定信息 (explicitmessage)的交換，如對變頻器參數的讀寫等，是使用 64個字長的BTR和BTW指令直接對網上設備進行操作；這種方式只能是針對某一臺設備，但可交換該設備所有信息。圖3PLC5和1336Plus變頻器數據交換圖圖 3中，映射輸出Word 0包括啟動、停止、清錯、正反轉、加減速、選擇哪個頻率作設定頻率等控制位，設置對應的位就可使變頻器實現相應的動作； Word 1存放的是變頻器設定工作頻率。映射輸入Word 0將變頻器使能、達速、運行、加減速、出錯等狀態信息反饋給PLC； Word 1存放的是變頻器實際工作頻率。Datalink A～D和變頻器上的Data In/Out A～D對應，由變頻器設定哪些參數與其連接，從而實現PLC對這些參數的讀寫；將變頻器的常用監控參數，如加減速時間、多個預置頻率、實際輸出電流電壓、故障代碼等參數設定到Data In/Out上，則結合Word 0和Word 1，通過映射方式，PLC對變頻器就可實現一般功能的監控。PLC對掃描器映射信息的讀寫是通過BTR、BTW指令實現的，而塊傳送指令則以字長為標記去識別掃描器緩沖區不同區間的映射信息的；對 1771 SDN來說，映射緩沖區總共有 6組，357個字長的輸入和 357個字長的輸出可供使用，分配給DeviceNet上不同的設備。綜上所述，只要使用RSLogix 5對PLC進行編程， RSNetworkfor DeviceNet對掃描器和變頻器進行組態， PanelBuilder對PanelView進行組態，就可將DeviceNet上獨立的PLC、變頻器、操作終端構成一個網絡化的控制系統，實現對變頻器的運行狀態、運行參數進行監測、控制和優化。DeviceNet網絡上的實時參數可以在ControlNet上共享，用先進控制算法進行優化；它還可以在以太網上共享所有變頻器的運行狀態和參數等數據，從而實現變頻器的集成控制。它們已經應用在供水系統、消費品生產和冶金等行業上。