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劉杰 羅慧 廖金焰 閔松 萬淑蕓

1  前言

    現(xiàn)代的工業(yè)自動化生產(chǎn)中各種設(shè)備間需要相互交換信息，協(xié)調(diào)完成自動控制功能，這就需要網(wǎng)絡(luò)的支持。基于此羅克韋爾自動化推出了由以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)所組成的開放型網(wǎng)絡(luò)。

    設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）是一種低成本的通信鏈接，它通過單根導(dǎo)線把可編程控制器直接和“智能”設(shè)備，如傳感器、按鈕、馬達(dá)起動器、簡單的操作員接口以及變頻器相連。它安裝調(diào)試簡單，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。

    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(fù)性，它緊密的聯(lián)系控制器和I/O設(shè)備，使得多個控制器能夠共享輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對等通訊。

    以太網(wǎng)（Ethernet）以TCP/IP作為其傳輸協(xié)議，是一個開放型的信息網(wǎng)絡(luò)，作為自動化網(wǎng)絡(luò)的最高層，可以對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理和管理。

    在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)控制時，可以借助羅克韋爾自動化的SLC500系列可編程控制器，簡便的將設(shè)備網(wǎng)與以太網(wǎng)連接起來。本文介紹的羅克韋爾自動化的開放型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的交流調(diào)速遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)僅通過一張以太網(wǎng)網(wǎng)卡而對底層的設(shè)備網(wǎng)的變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)視。這套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，并未使用控制網(wǎng)，但是這種簡單有效的方法可以推廣用于其他的自動化系統(tǒng)設(shè)計中。

2 以太網(wǎng)集成控制系統(tǒng)

2.1  簡介

    羅克韋爾自動化采用的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為工業(yè)自動化提供理想的解決方案。在復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)中，多個控制器和人機(jī)界面需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，控制網(wǎng)是必不可少的，它提供的產(chǎn)生者/消費(fèi)者數(shù)據(jù)交換方式能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。但是在不需要多個控制器協(xié)調(diào)控制的場合，可以簡化控制網(wǎng)，這樣使得控制簡單便于維護(hù)。用一個可編程控制器就可以取代控制網(wǎng)的地位，將設(shè)備網(wǎng)和以太網(wǎng)連接起來。這樣就可以有效的降低成本投入，實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)控制。

2.2  設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線

    設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線是一種低成本高性能的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，它具有以下的特點(diǎn)：

    設(shè)備網(wǎng)應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議，建立了設(shè)備網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議。它具有公開的技術(shù)規(guī)范和廉價的通信部件，使得其具有比其他現(xiàn)場總線低得多的開發(fā)費(fèi)用。

    設(shè)備網(wǎng)上使用制造者/消費(fèi)者通信模式，能夠提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。任何一個在設(shè)備網(wǎng)上的設(shè)備（制造者）只需發(fā)送一次報文，其他設(shè)備（消費(fèi)者）如果需要該報文，就可以接受和使用。設(shè)備網(wǎng)提供的I/O報文適用于實(shí)時性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)。但是設(shè)備網(wǎng)的傳輸速度不高，有500Kbps、250Kbps、125Kbps三種速度可選。網(wǎng)絡(luò)上可以掛接64個設(shè)備。

    在調(diào)整和診斷設(shè)備時，可以隨意的連接或斷開設(shè)備，使用Device Manager軟件可以靈活的對設(shè)備網(wǎng)管理和調(diào)試運(yùn)行。

2.3  工業(yè)以太網(wǎng)

    羅克韋爾自動化提出的工業(yè)以太網(wǎng)支持實(shí)時報文和非實(shí)時報文，其中的實(shí)時報文交換是建立在制造者/消費(fèi)者通信模式之上的，能夠用于實(shí)時的I/O控制。以太網(wǎng)使用的是載波監(jiān)聽/錯誤檢測的通訊協(xié)議，當(dāng)要減少網(wǎng)絡(luò)的沖突時，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I/O報文傳輸更加穩(wěn)定。由于IP廣播報文的存在，使用IGMP snooping組播過濾技術(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(xiàn)實(shí)時傳輸?shù)谋貍錀l件。

3 交流調(diào)速遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1  實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    如圖1所示， 1203-GK5為智能通訊模塊，它能夠?qū)⒍喾NSCANport 設(shè)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(shè)備網(wǎng)。設(shè)備網(wǎng)和以太網(wǎng)是通過SLC500連接在一起的。SLC500是一個系列的小型可編程控制器的總稱，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(shè)備網(wǎng)上的掃描模塊，對設(shè)備網(wǎng)上的設(shè)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(shè)備網(wǎng)和以太網(wǎng)的唯一設(shè)備。

圖1  系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3.2  網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸

    使用配套軟件RSNetWorx for DeviceNet可以簡便的設(shè)置設(shè)備網(wǎng)。設(shè)置1747-SDN掃描模塊時，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，刷新時間可以設(shè)為2ms。配置完設(shè)備網(wǎng)后，以太網(wǎng)上的PC機(jī)就可以使用SLC500的編程軟件RSlogix 500對SLC編程，通過對SLC的輸入/輸出文件O₀和I₁的控制就能實(shí)現(xiàn)變頻器簡單的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動、清除錯誤等各種控制位的設(shè)置。但要實(shí)現(xiàn)可視化的上位工控機(jī)監(jiān)測和控制，必須使用RSview32這種圖形化的人機(jī)界面軟件。

    控制和反饋數(shù)據(jù)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(jī)的命令傳輸給SLC，改變相應(yīng)的輸入/輸出文件O₀和I₁，掃描模塊1747-SDN根據(jù)建立的輸入輸出映射表，將O₀和I₁中的數(shù)據(jù)映射到相應(yīng)的設(shè)備網(wǎng)上的1203-GK5通訊模塊上，然后通過SCANport接口直接映射到變頻器。

圖2  I/O映射表

    設(shè)備網(wǎng)上的變頻器都是以輪詢的方式與掃描模塊1747-SDN通信。1747-SDN發(fā)送查詢信息給一個變頻器，被查詢的變頻器發(fā)送響應(yīng)信息給1747-SDN。1747-SDN就按照設(shè)置好的掃描列表，掃描整個設(shè)備網(wǎng)。這樣就建立了一個端口映射的通道。反饋?zhàn)冾l器的運(yùn)行參數(shù)時，也是建立這樣一個通道。一個掃描周期就可以對網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)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個字，其中31個字可用。而每個變頻器有2到10個字的可調(diào)輸入/輸出字。當(dāng)有很多變頻器在設(shè)備網(wǎng)上時，可以通過SLC的M_O（輸出）和M_I（輸入）文件實(shí)現(xiàn)類似的端口映射。M_O和M_I文件分別具有150個字。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析

    上位工控機(jī)使用RSview32人機(jī)界面軟件與RSlinx通訊軟件組態(tài)之后就能夠采集到SLC傳送來的數(shù)據(jù)，也是通過對O₀或I₁文件操作，從而對設(shè)備網(wǎng)上的變頻器進(jìn)行監(jiān)視和控制。

    通過RSview32可以直觀的用圖形截面對整個系統(tǒng)的變化以曲線圖顯示。圖3為電機(jī)空載啟動達(dá)到給定頻率后立即執(zhí)行直流制動的整個過程中變頻器輸出電流、電壓、頻率曲線。使用2.2kW鼠籠電機(jī)，變頻器為1305-BA09A，其功率為4kW。變頻器的設(shè)置參數(shù)如下：加速時間為2s；給定頻率為30Hz；直流制動的電壓為30V，時間為2s。

圖3  變頻器直流制動狀態(tài)曲線

    圖3中可以明顯觀察到制動時的電壓和電流。相對應(yīng)的，圖4為使用自由停車的過程，可以看出，使用這種方式停車，變頻器的輸出電壓、電流均為零，電機(jī)是依據(jù)慣性停車。

圖4  變頻器自由停車狀態(tài)曲線

    RSview32是很方便的系統(tǒng)控制軟件，但它的刷新時間為50ms，所以顯示的曲線精度不高。低層設(shè)備網(wǎng)對上位工控機(jī)命令的響應(yīng)有一定的滯后，但是這種方案可以滿足大多數(shù)實(shí)時控制系統(tǒng)。設(shè)備網(wǎng)的傳輸速度為125Kbps，每掃描一次的時間小于10ms，主要的延時是在以太網(wǎng)上。以太網(wǎng)中并沒有用路由器，而是簡單的使用集線器連接，沒有使用IGMP snooping組播過濾技術(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(shù)據(jù)傳輸延時的不確定性將會使這50ms的延時提高。

    系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時，可以在PC機(jī)上使用RSlogix500軟件對SLC500編程，通過對O₀或I₁文件（已經(jīng)與變頻器建立映射關(guān)系）的讀寫就能夠完成較為復(fù)雜的電機(jī)協(xié)調(diào)控制。再運(yùn)用RSview32能夠以直觀的圖形化的界面對整個運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視和控制。這套交流調(diào)速遠(yuǎn)程控制裝置穩(wěn)定可靠，顯示出網(wǎng)絡(luò)控制的思想和意義。系統(tǒng)構(gòu)成的方法可以作為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計參考。