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自主研发网络变频器的网络控制应用研究 |
| 摘 要：本文介绍了基于工业以太网通信变频器的设计思想，在分析网络变频器的通信机制的基础上，建立了一种基于数据通信优先级分类的工业以太网通信控制策略。系统利用上位机PID算法，根据网络传递的水位信号计算变频器输出频率，从而控制双容水箱水位。实验结果表明，通过这种工业以太网通信可有效地控制变频器进行双容水箱水位控制。 关键词：网络控制;工业以太网;变频器;DSP 1 引言 变频器的发展十分迅速，在国民经济各部门得到了广泛的应用。现有的变频器绝大部分采用的通信方式为RS232/RS485。这些通信方式具有通信可靠性不高、通信速率慢、通信数据容量小、通信距离短、不易组成网络系统、实时性不高等缺点，无法满足实际控制需求[1]。商用以太网具有很高的数据传输速率、低成本、易于组网等优点，但是其传输的确定性问题和实时性问题使其不适用于工业现场[2]。 针对这种现象，本文提出一种基于数据通信优先级分类的工业以太网通信机制，并将其应用到自主研发的变频器上。通过这种工业以太网对变频器进行远程监控，实现对双容水箱的PID水位控制。 2 工业以太网变频器的设计 2.1 变频器的网络通信原理 传统以太网采用总线式拓扑结构和IEEE802.3的CSMA/CD协议在实时性要求极高的工业控制领域中应用，主要的问题在于很难保证数据传输的最大迟滞要求。  图1 工业以太网网络结构图 本文针对这个问题构建了一个拓扑型工业以太网网络结构，将变频器置于这个网络结构中进行通信控制，如图1所示。该网络结构借鉴了现场总线的一些优点，来改善以太网传输控制数据的实时性问题。系统用网络枢纽控制器作为主控节点，变频器和其他节点都在它的控制下进行通讯。采用主从式的通讯方式，可以有效地避免冲突的发生。同时，对于不同的数据，要按照它的功能和可靠性要求的不同进行分类，对各种不同的数据分别处理，既保证控制信息传输的可靠性，又保证整个网络的吞吐量。 本文将控制网络中的数据分为三类：（1）实时、可靠的数据。赋予这类数据优先级为P=1，如控制信号（2）实时，但不要求可靠的数据,如多媒体数据。赋予这类数据优先级为P=2。必要时，可以丢弃一些数据帧。（3）不要求实时也不要求可靠的数据，如上传的PLC程序。赋予这类数据优先级为P=3。 这几类数据包具体通讯策略如下： （1）对于P=1的数据包，不管队列中有多少个未发数据，都要确保发送完毕，即使周期超过发送周期T也要如此。 （2）对于P=2的数据包，只有在P=1的数据发送完全的情况下才能启动发送。 （3）对于P=3的数据包，只有在P=2的数据发送完全的情况下才能启动发送。 （4）每一次发送都由网络枢纽控制器协调，向指定的变频器发送指令，允许其发送。指定的设备收到指令，启动发送。由于共享型网络的广播特性，发送的同时也通知控制器，本主机已交出发送权。 （5）为了保证各个站点的公平性，除了P=1的优先级外，其他优先级的数据发送总是从上一个周期最后发送数据的下一个站点开始。 （6）对于优先级P=1的数据，如果没有数据可发，也要发送一个64字节的空白帧，通知控制器，自己已经让出发送权。 网络通信的硬件主要由主控芯片TMS320F2812和网络芯片RTL8019AS构成。RTL8019AS的中断与DSP的INT1相连，所以实现网络通信功能的程序主要在INT1中断程序中完成。 2.2 变频功能的实现 系统使用美国德州仪器公司（TI）的DSP芯片TMS320F2182作为主控芯片，与智能功率模块一起实现交-直-交变频。变频主回路由整流电路、滤波电路、智能功率模块（IPM）和采样电路构成。整流电路由二极管组成三相桥式电路，将工频供电电源变成直流电压，同时采用直流电抗和电容吸收脉动电压。经过整流滤波后的直流电压直接供给IPM模块进行逆变[3]。IPM模块内部含有门极驱动控制，故障检测和多种保护电路。内置电流传感器来监测IGBT的主电路，内部故障保护电路检测过流、短路、过热和控制电源欠压等故障，用于防止因系统相互干扰或者过载等发生时造成功率模块的损坏。DSP使用SPWM法产生驱动信号，经过高速光耦隔离后驱动IGBT。 系统通过设置TMS320F2182的事件管理器EVA模块中的比较单元和死区单元来产生PWM信号[4]。具体实现如下： （1）设置比较单元受比较控制寄存器和比较方式控制寄存器，从而确定比较输出允许、比较值和方式寄存器的重载条件、空间矢量PWM的使用、PWM引脚输出方式; （2）对定时器1计数器T1CNT赋初值，并对周期寄存器T1PR，定时器1控制寄存器T1CON正确设置; （3）对死区控制寄存器DBTCONA进行正确的设置。 当比较单元的定时器计数值与比较寄存器中比较值相等时，就会在该比较单元的两个PWM引脚上产生跳变，并经过1个CUP时钟后发出比较中断申请。将定时器1设置为连续增计数方式时，产生非对称PWM波形。可见，改变比较值可以改变PWM波的占空比，改变周期值可以改变PWM波的频率。 同时，采样电路采用F2812的8路12位A/D转换器进行对外部输入模拟量信号进行A/D采样[5]。 3 网络变频器的双容水箱水位控制试验 3.1 系统分析 本系统通过以太网上位机软件对变频器参数及水箱水位进行监控。网络变频器运行时，将频率和水位信号通过系统建立的以太网网络发送给上位机。系统通过上位机软件设定预定水位H，以变频器输出频率f和一号水箱水位信号h为输入输出参数，以双容水箱为控制对象进行系统建模。系统使用PID算法对双容水箱的模型进行计算，得出系统的输出信号，即变频器输出频率，并通过以太网网络发送给网络变频器，从而控制水箱水位。 试验系统控制结构图如图2所示：  图2 双容水箱水位控制系统结构图 对于系统中的第一级水箱，我们可推导出如下的关系： 3.2 PID水位控制实验 系统通过上位机软件将水箱的控制水位设定在25cm，并设置参数KP=2.0,KI=0.3,KD=0.5。上位机由PID算法得出变频器输出频率值，并将其通过以太网络传输给网络变频器。同时网络变频器对水位信号进行采样，并将采样结果和频率信号一起通过工业以太网实时发送到上位机。根据这些实时数据可得到水位曲线。  图3 PID实验的水位曲线（单位：cm/s） 由上述曲线可以看出，工业以太网变频器可通过工业以太网进行数据监控，实现水位控制，其效果良好。水位曲线中的纹波是由于水箱中的涡流对水位传感器的干扰所致，实际水位基本保持不变。 4 结束语 根据实验曲线可得出KP=2.0，KI=0.3，KD=0.5时，系统PID实验的水位和频率曲线。此实验的水位曲线体现了此系统具有一阶特性，达到稳定后水位和频率的波动都比较小，系统的控制特性比较理想。 在实验的过程中，工业以太网通信功能使变频器的能够有效地实现参数和实时数据实现远程故障诊断打下基础。同理，网络变频器还可以应用于其它高级控制规律的远程网络控制，在过程控制领域有广泛的应用前景。 本文作者创新点： 1、系统设计实现了一种基于工业以太网通信的、可进行大容量数据通信的变频器。通过这种基于数据分类的工业以太网通信，网络变频器可接收网络指令，并上传相关参数。 2、系统对双容水箱进行系统建模，通过上位机软件接收网络变频器传输的水位信号，使用PID控制算法计算出控制系统的输出信号，并通过工业以太网络控制网络变频器，从而实现双容水箱的水位控制。 本文研究成果产生的直接经济效益达50万元，在高级过程控制系统中会有更深远的应用意义和应用价值。本文数据的来源均来自研发实验结果数据。研究的方法采用双容水箱水位控制系统作为试验平台，进行系统的性能参数测试，并得出实验数据。 |
