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    李方園（1973-）

    男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。



    摘  要：現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備等互連的實時控制通訊網絡，而變頻總線控制系統的特點，就是通過總線可以控制和監控變頻器。變頻總線控制系統既可聯動控制也可單獨控制，能充分滿足傳動系統的可靠性、實時性、實用性的要求，并為實現傳動系統的 “無人值班”運行提供技術準備。

     關鍵詞：變頻器；現場總線；通訊網絡；參數設置

     Abstract: Field bus is to realize the real-time control communication network between the best primary controller and local AI meter. AC inverter FCS is to control and monitor drives, which can work in the mode of the linkage controlling and single running. And AC inverter FCS can meet with the need of the drive system in the reliability, real-time and practicality. Finally it can prepare to support the technology of nobody on duty.

     Key words: AC inverter; field bus; commnunication network; Parameter setting
   
    1 現場總線的概念

    現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備等互連的實時控制通訊網絡，它遵循ISO的OSI開放系統互連參考模型的全部或部分通訊協議。現場總線控制系統（又稱FCS，Fieldbus Control System）則是用開放的現場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統。

    一般而言，現場總線與局域網的區別有以下兩點：

    （1）按功能比較，現場總線連接自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備，網線上傳輸的是小批量數據信息，如檢測信息、狀態信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。簡而言之，現場總線是一種實時控制網絡。局域網用于連接局域區域的各臺計算機，網線上傳輸的是大批量的數字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實時性。從這個意義而言，局域網是一種高速信息網絡。

    （2）按實現方式比較，現場總線可采用各種通訊介質，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實現成本低。局域網需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現成本高。

    根據國際電工委員會（IEC，International Electrotechnical Commission）標準和現場總線基金會（FF，Fieldbus Foundation）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其都具有數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務的網絡節點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接成的網絡系統；使用公開、規范的通信協議，在位于生產控制現場的多個微機化測控設備之間，以及現場儀表與用作監控、管理的遠程計算機之間，實現數據傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統。

    現場總線主要是面向過程控制，除傳輸數字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，網絡交換的數據單元是幀(Frame)。與集散控制系統(Distributed Control System，DCS) 相比，現場總線控制系統(Fieldbus Control System，FCS)具有可靠性高以及更好的安全性、互換性和互操作性、開放性、分散性等優點。

    總之，現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通信網絡，它遵循ISO/OSI開放系統互聯參考模型的全部或部分通信協議。

    2 變頻總線控制系統的構成

    2.1 變頻器的現場總線適配器

    變頻總線控制系統的特點，就是通過總線可以控制和監控變頻器。在該系統中如果變頻器要與現場總線控制系統很好地進行融合，就必須使用專用的現場總線適配器（如圖1所示）。一般而言，變頻器的現場總線適配器是易拆裝的模塊，它能很方便地安裝在變頻器內部。由于現場總線模塊的應用范圍很廣，可以連接不同的可變成控制器主站，因此用戶有很大的自由性來選擇與變頻器相配合的自動化系統。

                        

                               圖1   現場總線適配器
     2.2 變頻總線控制系統的特點

    （1）對傳動進行控制

    通過現場總線，溝通上位控制系統和變頻器傳動之間的聯系。通過傳遞控制字，可以實現對傳動的多種控制功能。例如啟動，停止，復位，控制斜坡發生器的斜率，以及傳遞與速度、轉矩、位置等有關的給定值或實際值。
以ABB ACS800變頻器為例，其傳動控制如圖2所示。

                
                            圖2   總線控制示意

    （2）對傳動進行監測

     傳動內部的轉矩、速度、位置、電流等一系列參數或實際值都可以設定循環發送模式，以滿足生產過程中快速的數據傳送。

    （3）對傳動進行診斷

    準確可靠的診斷信息可以從傳動設定的報警、極限和故障字中獲得，這樣就可以降低了傳動的停機時間，因而減少了生產的停工時間。

    （4）對傳動參數的處理

    生產過程中的所有參數的上載或下載都可以通過讀/寫參數來完成。

   （5）方便的擴展

    串行通訊簡化了模塊化機械設計的升級問題，使得以后的升級更為簡單。

   （6）減少安裝時間和成本

    在電纜方面，用雙絞線替換了大量傳統傳動控制電纜，不但降低了成本，而且提高了系統的穩定性。

    在設計方面，由于軟硬件采用了模塊化結構，縮短了現場總線控制安裝的工期。

    在調試和裝配方面，由于采用了模塊化的機械配置，可以對系統中功能各自獨立的部分進行預先調試。模塊化的結構使得系統的安裝變得簡單快捷。

    3 變頻器與DeviceNet組成的總線控制系統

    3.1 DeviceNet總線簡介

    隨著時代的進步，變頻傳動系統將逐步采用測控一體化思想，如何采集運行工況并對傳動設備進行自動化監測與控制成為當前變頻控制設計方案的主要考慮因素之一。而DeviceNet總線正好可以滿足這樣的一個需求，當各變頻器單元設備通過安裝有DeviceNet總線的現場控制網絡進行互連后，既可聯動控制也可單獨控制，是一種分層、分布、分散式的自動化智能控制系統，能充分滿足傳動系統的可靠性、實時性、實用性的要求，并為實現傳動系統的 “無人值班和少人值守 ”運行提供技術準備。
                     
                       

                               圖3   DeviceNet通信連接舉例

    DeviceNet總線是全球使用最廣泛的現場總線之一，在工廠自動化領域有明顯優勢，能連接到變頻器、機器人、 PLC等各類工控產品（如圖3）。它最初是由羅克韋爾自動化提出的，現在已廣泛應用于美國，并在歐洲、日本和中國市場有明顯增長。DeviceNet總線是一種數字化、多點連接的網絡，在控制器和 I/O 設備之間實現通訊。每一個設備和控制器都是網絡上的一個節點。DeviceNet 是一種生產者/消費者模式的網絡支持分級通訊和報文優先級。DeviceNet 系統可配置成工作在主從模式或基于對等通訊的分布式控制結構。DeviceNet 系統支持使用 I/O 和顯式報文實現配置和控制的單點連接。 DeviceNet 還具有獨特的性能—支持網絡供電。這就允許那些功耗不高的設備可以直接從網絡上獲取電源，從而減少了接線點和尺寸。

    DeviceNet總線遵循開放系統互聯模型 (OSI) ，這是一個分層的網絡通訊 ISO 標準。它定義了網絡協議的所有必要功能，從物流實現到協議以及在網絡上進行通訊控制和數據傳輸的方法。 DeviceNet 使用 主干/分支拓撲結構，兩對雙絞線分別傳輸信號和電源，粗纜和細纜分別用于主干和分支。網絡長度根據速率和電纜粗細不同而不同。

    3.2 基于DeviceNet總線的開放式智能變頻器的選用

   （1）基本構成

    DeviceNet是基于現場總線技術的工業標準開放網絡，用于連接簡單的底層工業裝置。采用國際先進的DeviceNet網絡組成現場總線網，通訊可靠、實時；它主要用于實時傳輸控制數據，實現了低成本高性能的工業設備的網絡互連。為底層設備網提供了有效的接入途徑。由于采用的是DeviceNet網絡組成現場總線網。因此，底層設備的交流變頻器及軟啟動器要求也必須具備DeviceNet網絡通訊協議，這樣的底層設備才能掛在DeviceNet現場總線上。基于這種思路，交流變頻器及軟啟動器的接入有兩種方式。一種是自身具備DeviceNet網絡通訊功能的交流變頻器及軟啟動器，如ROCKWELL公司的1336 Plus系列變頻器。另一種可采用具備DeviceNet網絡通訊功能I/O模塊來控制不具備DeviceNet網絡通訊功能的交流變頻器及軟啟動器，如圖4所示。

                     

                                      圖4   DeviceNet網絡通訊功能

   （2）選型

    AB公司的1305變頻器、1336PLUS 變頻器、1336IMPACT 變頻器通過1203-GK5通信模塊（對15HP，11kW以上變頻器用變頻器內置的1336-GM5）連到設備網網絡。

    （3）不具備DeviceNet網絡通訊功能的交流變頻器及軟啟動器的選型

    首先選用具備DeviceNet網絡通訊功能的I/O模塊。如上海電器科學研究所研制的具備DeviceNet網絡通訊功能的DT-I/O模塊，可以通過DeviceNet網絡通訊接口可直接掛在DeviceNet網絡的現場總線上，并由I/O模塊的輸入/輸出口可以控制交流變頻器及軟啟動器的起/停與調速。該模塊的缺點就是對交流變頻器及軟啟動器的參數卻不能直接讀取和修改。

    4 日立SJ300/L300P系列變頻器DeviceNet總線的配置與應用

    日立SJ300系列是高性能矢量型變頻器，功率涵蓋0.75kW到132kW，并采用32位日立 SuperH (SH4) 微處理器。它不僅具有專利技術的無速度傳感器矢量控制，并可使2臺電動機同時工作在無速度傳感器矢量控制運行方式下。日立L300P系列則是目前非常成熟的風機水泵型專用變頻，它具有自動節能運行功能、瞬時停電重起動、電網電壓自動穩壓等功能。日立SJ300/L300P變頻器的DeviceNet總線聯網功能如圖5所示。

     日立SJ300/L300P系列的總線卡為SJ-DN，安裝步驟如下：

     （1）安裝SJ-DN到變頻器的可選插槽內；

     （2）設置SJ-DN卡上的跳線為合適的通訊波特率和MAC ID地址；

     （3）設置變頻器參數以滿足通訊要求；

     （4）配置EDS文件和變頻器I/O數據。

    DeviceNet總線通訊使用了更為有效的生產者/消費者模式，取代了傳統的源/目的的傳輸方式。該模式要求對報文打包，使它具有數據標識位域。標識符還提供解決多級優先權(仲裁中使用)的手段，以便更高效地傳送I/O數據，并供多個消費者使用。DeviceNet中定義了兩類不同的報文：顯式報文和I/O報文。

    （1）顯式報文(Explicit Message)

    顯式報文用于兩個設備之間多用途的信息交換，是典型的請求－響應通信方式，一般用于節點的配置、故障情況報告和故障診斷。DeviceNet中定義了一組公共服務顯式報文，如讀取屬性、設置屬性、打開連接、關閉連接、出錯響應、起動、停止、復位等。這類信息因為是多用途的，所以在報文中要標明報文的類型，對應不同類型，報文格式也不同。它是根據報文和預先規定的格式說明其含義的。顯式報文通常使用優先級低的連接標識符，并且該報文的相關信息直接包含在報文數據幀的數據場中，包括要執行的服務和相關對象的屬性及地址。

    （2）I/O報文(I/O Message)

    I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數據，I/O報文對傳送的可靠性，送達時間的確定性及可重復性有很高的要求。I/O報文通常使用優先級高的連接標識符，通過點或多點連接進行信息交換。I/O報文數據幀中的數據場不包含任何與協議相關的位，僅僅是實時的I/O數據。只有當I/O報文過長，需要分段形成I/O報文片段時，數據場中才有1個字節供報文段協議使用。所謂應用宏就是指針對不同的應用變頻器內部已對軟件流程、參數設置及I/O接口做好了預設定，用戶可以根據自己的需要調用所需應用宏。

    同時，DeviceNet總線支持多種數據通信方式，如位選通(Bit-Strobe)、輪詢(Poll)、狀態改變COS (Change of State)和循環(Cyclic)等。

    在位選通方式下，利用8字節的廣播報文，64個二進制位的值對應著網絡上64個可能的節點，通過位的標識，指定要求響應的從設備。輪詢方式下，I/O報文直接依次發送到各個從設備(點對點)。循環方式適用于一些模擬設備，可以根據設備信號發生的快慢，靈活設定循環進行通信的時間間隔，這樣就可以大大降低對網絡帶寬的要求。狀態改變方式用于離散的設備，使用事件觸發方式，當設備狀態發生改變時才發生通信，而不是由主設備不斷的查詢來完成。多種可選的數據交換形式，均可由用戶自由地指定。通過選擇合理的數據通信方式，可以明顯地提高網絡利用率。

    以日立SJ300的DeviceNet總線通訊控制為例進行輪詢方式下的I/O數據值。

    在變頻器參數P46中可以設置為100，則從主站發送到SJ-DN的數據格式為如圖6所示。

                  

                   圖5   日立SJ300/L300P變頻器的DeviceNet總線配置

               

                         圖6   主站發送到SJ-DN的數據格式

    該數據格式包括8個字節，其中Byte0設置了控制命令，如正轉、反轉、故障復位、自由停車、通訊命令來源和通訊速度來源；Byte1和Byte2為速度值；Byte3和Byte4為加速時間值；Byte5和Byte6為減速時間值。

    在變頻器參數P47中可以設置為101，則從SJ-DN發送到主站的數據格式為如圖7所示。

                  

                       圖7   SJ-DN發送到主站的數據格式

    該數據格式包括8個字節，其中Byte0和Byte7設置了返回狀態，如正轉、反轉、故障等；Byte2和Byte3為實際速度值；Byte4和Byte5為實際電流值；Byte6為故障原因。

    按照以上通訊格式，對變頻器SJ300的頻率控制進行如下說明，如圖8所示。

    主站發送的命令：

    （1）停止命令。設置頻率50HZ（1338HEX），加速時間10秒（0064HEX），減速時間10秒（0064HEX）。所有的速度來源和控制來源均為總線通訊。

    （2）正轉命令。

    （3）改變頻率設定值為10HZ（03E8HEX）。

    （4）停止命令。

    （5）反轉運行命令。設置頻率為50HZ（1388HEX），加速時間20秒（00C8HEX），減速時間20秒（00C8HEX）。

    （6）停止命令。

    主站接收的狀態：

    （7）停止狀態。

    （8）當變頻器接收到起動正轉命令后加速運行，“XX”代表隨時變化的頻率和電流。

    （9）速度穩定狀態，其中頻率值為50HZ（1388HEX）。

    （10）減速狀態。

    （11）穩定速度狀態，其中頻率值為10HZ（03E8HEX）。

    （12）減速狀態。

    （13）停止狀態。

    （14）變頻器處于反轉運行加速狀態。

    （15）穩定速度狀態，其中頻率值為50HZ（1388HEX）。

    （16）減速狀態。

    （17）停止狀態。

                     

                       圖8   頻率控制方式下的傳送數據格式

   5 變頻總線控制系統的發展潛力

    從目前國內外自動化控制系統所應用的現場總線來看，主要有DEVICENET、PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現場總線。變頻總線控制系統可以在整個自動化控制系統中只采用一種現場總線，也可以采用兩種或者兩種以上的現場總線系統進行配置的情況，這時就可以通過總線橋原理來實現現場總線之間的調配。

    從實際應用情況來看，變頻器行業的現場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發現它已經改變了我們的觀念；如何去看待在變頻器應用中使用現場總線，要比研究它的技術細節更為重要。

   （1）現場總線是一個巨大的商業機會

    一項權威報告聲稱現場總線的應用將使變頻控制系統的成本下降67％；巨大的商業利益直接導致產生一個巨大的市場，并且促使傳統的變頻器控制市場萎縮，從而引發技術進步。這些對于變頻器行業來說都很重要，因為變頻器行業正處在新舊市場交替的關口。

   （2）現場總線是一場技術革命

    現場總線帶來了觀念的變化，以往開發變頻器新產品，往往只注意變頻器產品本身的性能指標，比如矢量控制的轉矩特性、轉速精度特性等等，對于變頻器與其它相關產品的關聯就考慮比較少一點。這樣對于變頻器行業這樣一個比較保守的行業來說，新產品就不那么容易地被用戶接收。而現場總線產品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅動的市場，用戶對新產品應用的積極性比生產商更高。然而，變頻器現場總線新產品的開發也與傳統產品不同；它是從系統構成的技術角度來看問題，它注重的是系統整體性能的提高，不強求局部最優，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統應用新的理論來發揮最大的效能；這一點是傳統變頻器產品很難做到的。

    總之，現場總線的負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）特性使它在變頻器應用中推廣將會越來越積極，越來越為用戶所接受。

    參考文獻：

    [1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社，2006.

    [2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社，2007.

    [3] 張燕賓，胡綱衡，唐瑞球. 使用變頻調速技術培訓教程[M]. 北京: 機械工業出版社，2004.

    [4] 吳忠智，吳加林. 變頻器應用手冊（第2版）[M]. 北京: 機械工業出版社，2003.

    [5] 吳忠智，黃立培，吳加林. 調速用變頻器及配套設備選用指南[M]. 北京: 機械工業出版社，2002.


                                                      ——轉自《自動化博覽》