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劉杰 羅慧 廖金焰 閔松 萬淑蕓

1  前言

    現代的工業自動化生產中各種設備間需要相互交換信息，協調完成自動控制功能，這就需要網絡的支持。基于此羅克韋爾自動化推出了由以太網、控制網和設備網所組成的開放型網絡。

    設備網（DeviceNet）是一種低成本的通信鏈接，它通過單根導線把可編程控制器直接和“智能”設備，如傳感器、按鈕、馬達起動器、簡單的操作員接口以及變頻器相連。它安裝調試簡單，已經廣泛的應用于工業自動化生產系統。

    控制網（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，它緊密的聯系控制器和I/O設備，使得多個控制器能夠共享輸入數據，實現對等通訊。

    以太網（Ethernet）以TCP/IP作為其傳輸協議，是一個開放型的信息網絡，作為自動化網絡的最高層，可以對現場采集到的數據和信息進行處理和管理。

    在實施網絡控制時，可以借助羅克韋爾自動化的SLC500系列可編程控制器，簡便的將設備網與以太網連接起來。本文介紹的羅克韋爾自動化的開放型網絡構成的交流調速遠程控制實驗系統，可實現PC機僅通過一張以太網網卡而對底層的設備網的變頻器進行控制和監視。這套系統網絡結構簡單，并未使用控制網，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設計中。

2 以太網集成控制系統

2.1  簡介

    羅克韋爾自動化采用的三層網絡結構為工業自動化提供理想的解決方案。在復雜的過程控制系統中，多個控制器和人機界面需要大量的數據傳輸，控制網是必不可少的，它提供的產生者/消費者數據交換方式能夠增強網絡的傳輸速度。但是在不需要多個控制器協調控制的場合，可以簡化控制網，這樣使得控制簡單便于維護。用一個可編程控制器就可以取代控制網的地位，將設備網和以太網連接起來。這樣就可以有效的降低成本投入，實現有效的網絡控制。

2.2  設備網現場總線

    設備網現場總線是一種低成本高性能的工業設備網絡，它具有以下的特點：

    設備網應用國際標準的控制局域網(CAN)協議，建立了設備網的應用協議。它具有公開的技術規范和廉價的通信部件，使得其具有比其他現場總線低得多的開發費用。

    設備網上使用制造者/消費者通信模式，能夠提高網絡通信效率。任何一個在設備網上的設備（制造者）只需發送一次報文，其他設備（消費者）如果需要該報文，就可以接受和使用。設備網提供的I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數據。但是設備網的傳輸速度不高，有500Kbps、250Kbps、125Kbps三種速度可選。網絡上可以掛接64個設備。

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

2.3  工業以太網

    羅克韋爾自動化提出的工業以太網支持實時報文和非實時報文，其中的實時報文交換是建立在制造者/消費者通信模式之上的，能夠用于實時的I/O控制。以太網使用的是載波監聽/錯誤檢測的通訊協議，當要減少網絡的沖突時，要注意以下方面：

    為了減少以太網上的報文沖突，可以使用全雙工的交換以太網。它能使實時I/O報文傳輸更加穩定。由于IP廣播報文的存在，使用IGMP snooping組播過濾技術，可以更有效的利用網絡帶寬。在以太網與底層網絡間進行端口映射技術是實現實時傳輸的必備條件。

3 交流調速遠程控制系統的設計

3.1  實驗系統的結構

    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 聯接，而1305變頻器具有SCANport接口，所以1305變頻器可以由1203-GK5 聯接到設備網。設備網和以太網是通過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模塊是設備網上的掃描模塊，對設備網上的設備進行掃描、檢測。5/05的處理器具備以太網接口，可以直接連接到以太網。這樣SLC500就是連接設備網和以太網的唯一設備。

圖1  系統的結構圖

3.2  網絡數據的傳輸

    使用配套軟件RSNetWorx for DeviceNet可以簡便的設置設備網。設置1747-SDN掃描模塊時，筆者選用離散I/O方式為網上的變頻器分配輸入輸出映射表，刷新時間可以設為2ms。配置完設備網后，以太網上的PC機就可以使用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的控制就能實現變頻器簡單的正轉、反轉、點動、清除錯誤等各種控制位的設置。但要實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

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

    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個字的可調輸入/輸出字。當有很多變頻器在設備網上時，可以通過SLC的M_O（輸出）和M_I（輸入）文件實現類似的端口映射。M_O和M_I文件分別具有150個字。

4 實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通訊軟件組態之后就能夠采集到SLC傳送來的數據，也是通過對O₀或I₁文件操作，從而對設備網上的變頻器進行監視和控制。

    通過RSview32可以直觀的用圖形截面對整個系統的變化以曲線圖顯示。圖3為電機空載啟動達到給定頻率后立即執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，變頻器為1305-BA09A，其功率為4kW。變頻器的設置參數如下：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曲線

    圖3中可以明顯觀察到制動時的電壓和電流。相對應的，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，電機是依據慣性停車。

圖4  變頻器自由停車狀態曲線

    RSview32是很方便的系統控制軟件，但它的刷新時間為50ms，所以顯示的曲線精度不高。低層設備網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足大多數實時控制系統。設備網的傳輸速度為125Kbps，每掃描一次的時間小于10ms，主要的延時是在以太網上。以太網中并沒有用路由器，而是簡單的使用集線器連接，沒有使用IGMP snooping組播過濾技術有效的防止以太網上的網絡沖突。所以以太網數據傳輸延時的不確定性將會使這50ms的延時提高。

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