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基于DeviceNet现场总线的以太网集成控制 |
| 1 前言 现代的工业自动化生产中各种设备间需要相互交换信息，协调完成自动控制功能，这就需要网络的支持。基于此罗克韦尔自动化推出了由以太网、控制网和设备网所组成的开放型网络。 设备网（Devicenet）是一种低成本的通信链接，它通过单根导线把可编程控制器直接和“智能”设备，如传感器、按钮、马达起动器、简单的操作员接口以及变频器相连。它安装调试简单，已经广泛的应用于工业自动化生产系统。 控制网（ControlNet）常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性，它紧密的联系控制器和I/O设备，使得多个控制器能够共享输入数据，实现对等通讯。 以太网（Ethernet）以TCP/IP作为其传输协议，是一个开放型的信息网络，作为自动化网络的最高层，可以对现场采集到的数据和信息进行处理和管理。 在实施网络控制时，可以借助罗克韦尔自动化的SLC500系列可编程控制器，简便的将设备网与以太网连接起来。本文介绍的罗克韦尔自动化的开放型网络构成的交流调速远程控制实验系统，可实现PC机仅通过一张以太网网卡而对底层的设备网的变频器进行控制和监视。这套系统网络结构简单，并未使用控制网，但是这种简单有效的方法可以推广用于其他的自动化系统设计中。 2 以太网集成控制系统 2.1 简介 罗克韦尔自动化采用的三层网络结构为工业自动化提供理想的解决方案。在复杂的过程控制系统中，多个控制器和人机界面需要大量的数据传输，控制网是必不可少的，它提供的产生者/消费者数据交换方式能够增强网络的传输速度。但是在不需要多个控制器协调控制的场合，可以简化控制网，这样使得控制简单便于维护。用一个可编程控制器就可以取代控制网的地位，将设备网和以太网连接起来。这样就可以有效的降低成本投入，实现有效的网络控制。 2.2 设备网现场总线 设备网现场总线是一种低成本高性能的工业设备网络，它具有以下的特点： 设备网应用国际标准的控制局域网（CAN）协议，建立了设备网的应用协议。它具有公开的技术规范和廉价的通信部件，使得其具有比其他现场总线低得多的开发费用。 设备网上使用制造者/消费者通信模式，能够提高网络通信效率。任何一个在设备网上的设备（制造者）只需发送一次报文，其他设备（消费者）如果需要该报文，就可以接受和使用。设备网提供的I/O报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据。但是设备网的传输速度不高，有500Kbps、250Kbps、125Kbps三种速度可选。网络上可以挂接64个设备。 在调整和诊断设备时，可以随意的连接或断开设备，使用Device Manager软件可以灵活的对设备网管理和调试运行。 2.3 工业以太网 罗克韦尔自动化提出的工业以太网支持实时报文和非实时报文，其中的实时报文交换是建立在制造者/消费者通信模式之上的，能够用于实时的I/O控制。以太网使用的是载波监听/错误检测的通讯协议，当要减少网络的冲突时，要注意以下方面： 为了减少以太网上的报文冲突，可以使用全双工的交换以太网。它能使实时I/O报文传输更加稳定。由于IP广播报文的存在，使用IGMP snooping组播过滤技术，可以更有效的利用网络带宽。在以太网与底层网络间进行端口映射技术是实现实时传输的必备条件。 3 交流调速远程控制系统的设计 3.1 实验系统的结构 如图1所示， 1203-GK5为智能通讯模块，它能够将多种SCANport 设备与Devicenet 联接，而1305变频器具有SCANport接口，所以1305变频器可以由1203-GK5 联接到设备网。设备网和以太网是通过SLC500连接在一起的。SLC500是一个系列的小型可编程控制器的总称，在此使用的必须是具备5/05的处理器并使用1747-SDN模块，1747-SDN模块是设备网上的扫描模块，对设备网上的设备进行扫描、检测。5/05的处理器具备以太网接口，可以直接连接到以太网。这样SLC500就是连接设备网和以太网的唯一设备。  图1 系统的结构图 3.2 网络数据的传输 使用配套软件RSNetWorx for Devicenet可以简便的设置设备网。设置1747-SDN扫描模块时，笔者选用离散I/O方式为网上的变频器分配输入输出映射表，刷新时间可以设为2ms。配置完设备网后，以太网上的PC机就可以使用SLC500的编程软件RSlogix 500对SLC编程，通过对SLC的输入/输出文件O0和I1的控制就能实现变频器简单的正转、反转、点动、清除错误等各种控制位的设置。但要实现可视化的上位工控机监测和控制，必须使用RSview32这种图形化的人机界面软件。 控制和反馈数据的传输完全是端口间的I/O映射表完成的。如图2所示，PC机的命令传输给SLC，改变相应的输入/输出文件O0和I1，扫描模块1747-SDN根据建立的输入输出映射表，将O0和I1中的数据映射到相应的设备网上的1203-GK5通讯模块上，然后通过SCANport接口直接映射到变频器。  图2 I/O映射表 设备网上的变频器都是以轮询的方式与扫描模块1747-SDN通信。1747-SDN发送查询信息给一个变频器，被查询的变频器发送响应信息给1747-SDN。1747-SDN就按照设置好的扫描列表，扫描整个设备网。这样就建立了一个端口映射的通道。反馈变频器的运行参数时，也是建立这样一个通道。一个扫描周期就可以对网络上所有设备扫描一遍，刷新它们的输入输出映射状态。 由于SLC中的O0和I1文件各有32个字，其中31个字可用。而每个变频器有2到10个字的可调输入/输出字。当有很多变频器在设备网上时，可以通过SLC的MO（输出）和MI（输入）文件实现类似的端口映射。MO和MI文件分别具有150个字。 4 实验系统运行结果及分析 上位工控机使用RSview32人机界面软件与RSlinx通讯软件组态之后就能够采集到SLC传送来的数据，也是通过对O0或I1文件操作，从而对设备网上的变频器进行监视和控制。 通过RSview32可以直观的用图形截面对整个系统的变化以曲线图显示。图3为电机空载启动达到给定频率后立即执行直流制动的整个过程中变频器输出电流、电压、频率曲线。使用2.2kW鼠笼电机，变频器为1305-BA09A，其功率为4kW。变频器的设置参数如下：加速时间为2s；给定频率为30Hz；直流制动的电压为30V，时间为2s。  图3 变频器直流制动状态曲线 图3中可以明显观察到制动时的电压和电流。相对应的，图4为使用自由停车的过程，可以看出，使用这种方式停车，变频器的输出电压、电流均为零，电机是依据惯性停车。  图4 变频器自由停车状态曲线 RSview32是很方便的系统控制软件，但它的刷新时间为50ms，所以显示的曲线精度不高。低层设备网对上位工控机命令的响应有一定的滞后，但是这种方案可以满足大多数实时控制系统。设备网的传输速度为125Kbps，每扫描一次的时间小于10ms，主要的延时是在以太网上。以太网中并没有用路由器，而是简单的使用集线器连接，没有使用IGMP snooping组播过滤技术有效的防止以太网上的网络冲突。所以以太网数据传输延时的不确定性将会使这50ms的延时提高。 系统实验时，可以在PC机上使用RSlogix500软件对SLC500编程，通过对O0或I1文件（已经与变频器建立映射关系）的读写就能够完成较为复杂的电机协调控制。再运用RSview32能够以直观的图形化的界面对整个运行过程进行监视和控制。这套交流调速远程控制装置稳定可靠，显示出网络控制的思想和意义。系统构成的方法可以作为远程控制系统设计参考。 |