變頻器PowerFlex 70在ControlLogix系統中的通訊

1 引言
　隨著變頻器的不斷發展和推廣應用，越來越多的場合需要對變頻器進行網絡通訊和監控，過去多采用傳統的RS485/422接口采集實時信息，通過操作員界面修改參數。今天，由于網絡和現場總線技術的發展和應用，變頻器之間的通訊、變頻器實時監控等功能已經已經演變成為數字化時代，帶數字接口的變頻器不但具有提供更多的數據信息網絡通信能力，而且還可以實現基于網絡的參數在線優化。
　　A-B公司生產的PowerFlex系列變頻器就是基于羅克韋爾自動化的NetLinx開放網絡體系，為DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP網絡提供一系列通用的特性和服務，并導致更低的所有生產者成本。當用戶進行控制、組態和采集數據的時候，可以很容易地管理從車間底層到頂層的信息并無縫地將它們成為一個完整的系統。它適用于DeviceNet、ControlNet、Universal RIO、RS485DF1、Profibus、interbus-S等網絡。其中控制層網絡（ControlNet）、設備層網絡（DeviceNet）和信息層網絡（EtherNet）的三層網絡結構為羅克韋爾自動化公司最新開發出來的網絡結構，基于這種網絡結構設計的ControlLogix系統將這種網絡思想體現的淋漓盡致。本文以下將介紹變頻器PowerFlex70在ControlLogix系統中的組態及其網絡功能，從而揭示PowerFelx系列變頻器的網絡優越性。
2 ControlLogix系統簡介
　　　ControlLogix體系結構是目前非常先進的控制平臺，該控制平臺集成多種控制規程（如：時序、運動、驅動、過程）。它所應用的處理器核心為Logix5550。Logix5550具有強大的處理能力和靈活性，它支持一個ControlLogix機架上可以插入多個控制器、多個控制器可以穿越多個機架實現分布式控制、預定的處理器對處理器的通訊、多個處理器共享相同的I/O模塊和通訊模塊等眾多功能。ControlLogix背板是一種無源的總線，采用的是流行的生產者/消費者技術，因此具有效率高、數據傳送準確等優點；另外ControlLogix背板是一個網關級的模塊，可以進行各層網絡協議之間的轉化，因此可以通過一個普通的網卡便可以訪問其他各層網絡。如圖2.1為ControlLogix網絡系統結構圖。


　　　　　圖 2.1 ControlLogix網絡結構圖
　　ControlLogix系統的編程軟件為RSLogix5000，它向用戶提供強大的功能，具有高級診斷能力、可靠的通訊、靈活的編輯器、強有力的數據庫編輯器、拖一放編輯功能以及方便易用的界面等優點。
3 PowerFlex70三層網絡組態
3.1 信息網絡層（EtherNet）
　　　信息層是整個控制系統的上層管理層，它采用開放性協議（IP協議）。不能把羅克韋爾信息層的以太網簡單的理解為局域網，可以將該層擴展到整個互連網，位于該互連網上的任何一臺工作站，只要具備必需的軟件環境和適當的權限，都可以把控制程序遠程下載到工業現場的編程控制器中，實現對底層設備進行控制。
　　　在羅克韋爾三層網絡組態中，使用RSLinx軟件，增加一個新的以太網型設備驅動器NEU_RALab，然后在Host Name名中輸入遠程的以太網模塊的IP地址，就可以瀏覽到遠程系統位于各層網絡上的設備。在ControlLogix系統編程軟件RSLogix5000組態時，需要添加1756ENB或1756ENET模塊，然后命名并設置其所在槽號。這一切以硬件連接正確為前提，模塊類型要與實際相匹配，另外槽號和實際連接的槽號相符。然后組態模塊端口，在剛添加的模塊屬性里的“Port Configuration”選項清除“Enable Bootp”選項并添上IP地址、子網屏蔽、網關地址等。
3.2 控制網絡層（ControlNet）
3.2.1 ControlNet網絡
　　控制網是由控制網國際有限公司（ControlNet International,Ltd.）首先提出來的一種開放式網絡。羅克韋爾自動化公司的設計之初就提出了三層網絡的概念，上層信息用于全廠的數據采集和程序維護；中層自動化和控制層實現實時I/O的控制、控制器的互鎖和報文的傳送；底層設備網用于底層設備的低成本、高效率的信息集成。其中控制網通訊采用當今流行的生產者/消費者模式，該模式采用多信道廣播式，網絡所有節點同步，信息吞吐量大，速度快，網絡效率高；因此控制網具有高速、高度確定和可重復性的網絡，特別適用于對時間苛刻要求的復雜應用場合的信息傳輸。
3.2.2 PowerFlex70的控制網組態
　　變頻器PowerFlex70具有一種稱為SCANport的通信接口，通過此接口連接一個信息轉換模塊，可以接入ControlNet網絡端。信息轉換模塊的功能是將變頻器數據和處理器的輸入/輸出數據相映射連接，以達到數據通訊的目的。在ControlLogix系統中，我們采用1203-CN1信息轉換模塊，具體網絡結構如下圖所示：
圖 3.2.1PowerFlex在ControlNet中的連接
　　在連接好硬件后，需要利用RSNetWorx軟件對諸如網絡刷新時間、最大預定節點數、非預定節點數以及介質是否冗余等網絡參數進行組態，同時還要組態每個節點，以定義它向主/從網絡發送/接受什么的數據，以及組態節點為主、多主、對等或多信道廣播通信方式。這些工作做好之后，使用RSLinx軟件對重新網絡掃描，可以從界面上看到1203-CN1模塊。為了使變頻器和處理器之間建立良好的數據通訊，需要使用軟件RSNetWorx for ControlNet進行數據組態。
　　1203-CN1模塊有數據鏈（Datalink）和報文兩種數據結構。因此我們應該按此模塊的數據結構進行數據傳輸，報文結構主要用于對輸入數據或輸出數據不需要連續刷新的情況，因而它適用于對變頻器參數實時監控要求不高的場合。在ControlLogix系統中采用數據鏈結構。其結構如下圖所示：
圖 3.2.2 數據鏈結構
　　1203-CN1模塊和變頻器各有4個數據鏈A、B、C、D，每個數據鏈在處理器的輸入和輸出映像表中占用2個字，如A數據鏈在輸入映像表中占用字2和字3。可通過通信模塊的撥動開關來選通/截止某個數據鏈，如此，可通過數據鏈方式，PLC處理器每次可對變頻器讀或寫2—8個字的數據信息。實際上數據鏈數據是要傳送數據信息的指針。對于變頻器來說，如要傳送某個參數，則指針為該參數的參數號。所以必須在變頻器中對各個數據鏈進行組態，即決定數據鏈指向哪個參數。
3.3 設備網絡層（DeviceNet）
3.3.1 DeviceNet網絡
　　設備層是羅克韋爾三層網絡中的最底層網絡，它的功能是將工業現場的最底層設備直接連接到車間控制器上。DeviceNet通訊連接是建立在控制器局部網（CAN）之上的，也基于最先進的生產者/消費者模式的一種網絡形式。它使得控制數據對于該網絡上的所有設備都可用，最有效的利用了網絡的帶寬。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。
3.3.2 PowerFlex70的設備網組態
　　實際上，PowerFlex70的通訊端口為串口，它將串口通訊分作5個通道以用為外部通訊，每個通道都對應不同的通訊設備，因此具有豐富的通訊方法，從而做到了對不同場合不同用途下的通用型與適應性。下面圖表對5 個通道進行說明。
圖3.3.1 PowerFlex70串口通訊
表 3.3-1 DPI端口連接說明

	連接端口	說明
①	DPI端口1	機箱內安裝時HIM連接。
②	DPI端口2	手持或遠程器件電纜連接。
③	DPI端口3 或1	連接到DPI端口2的分配電纜，提供一個附加端口。
④	控制/功率單元連接	控制與功率單元板間連接。
⑤	DPI端口5	通信適配器的電纜連接。

在控制網上使用的SCANport是DPI端口2，而DPI端口5允許用戶添加網絡適配器與變頻器進行通訊，這樣變頻器的參數更改和監控功能都將通過一條電纜在網絡環境下進行。因此在ControlLogix中，在DPI端口5增加一個A-B公司的20-COMM-D網絡適配器與DeviceNet連接。
完成好變頻器與ControlLogix的設備網模塊硬件連接后，需要進行對網絡適配器的硬件設定。網絡適配器的硬件設定由兩部分構成，一個用來設置變頻器在DeviceNet網絡中的節點號；另一個用來設置變頻器網絡通訊的傳輸速率。PowerFlex70網絡適配器的節點地址由個位和十位兩個開關來設定，允許設定的范圍是0～63。如果數據傳輸速率開關打到PGM狀態，那么變頻器的節點地址將由軟件來設定。數據傳輸速率可設定為AUTO、125K、250K、500K和PGM幾種。AUTO的意思是適配器傳輸速率由其他網絡設備確定，顧網絡中另外一個設備必須設定數據傳輸速率；PGM為軟件編程設定。
PowerFlex70的DeviceNet通訊需要通過兩個部分的組態來完成。一個是適配器的組態，另一個是網絡掃描器的組態。變頻器將網絡傳輸的數據通過20個字（輸入輸出各10個）與適配器進行通訊，適配器再將數據通過I/O映像的方式將數據保存在網絡掃描器中。而掃描器中的數據可以在程序中直接進行監控，這樣就實現了通過DeviceNet網絡與變頻器進行通訊。下圖為I/O映像表：



　　用戶可以利用HIM人機界面來對適配器組態，也可以使用軟件RSNetWorx for DeviceNet組態。HIM是PowerFlex70的一個面板控制，具有良好的人機界面，可以直接人機對話，并且功能強大。
　　組態完網絡適配器與掃描器之后，變頻器通過網絡適配器已經與處理器Logix5550建立了連接，但還需要進行數據連接，即用戶通過更改變頻器參數來自行定義將從哪些參數中讀取數據和向哪些參數中寫數據。PowerFlex70的“Datalinks”參數組提供給用戶將網絡輸入輸出通道與參數進行連接的方法。用戶只需要在相應的參數值中寫下需要輸入輸出的參數編號，然后下載到網絡適配器中即可。

4 結束語
　　本文介紹了PowerFlex70在先進的工業三層網絡ControlLogix系統中如何進行網絡連接與組態的方法。通過對PowerFlex70串口通訊的設計，結合ControlLogix網絡系統的優越特性，可以看到變頻器PowerFlex70強大的網絡功能。多種途徑的網絡功能，使得用戶可以任意選擇，繁簡自選，從而也適應了市場的要求。另外，變頻器PowerFlex70不僅通訊功能強大，而且其控制功能也并非遜色，限于篇幅，這里不在闡述。