基于DeviceNet网络的变频器集成控制

一、基于DeviceNet的自动化网络结构
随着现场总线和网络技术的发展，自动化系统网络结构已由单一的“集中式”(DCS)、“分层式”(MAP)，发展到现在的多层开放的混合结构体系。罗克韦尔公司提出了三层网结构体系，由设备层 (DeviceNet)、控制和自动化层 (ControlNet)、信息层 (EtherNet)组成，如图 1所示。DeviceNet是基于现场总线技术的工业标准开放网络，用于简单的低层工业装置 (传感器、拖动装置、阀门、开关等 )与高层设备 (计算机、PLC)之间提供连接。控制和自动化层是一个开放型的现代化控制网络，它满足连接PLC处理器、I/O、计算机、操作员界面以及其他智能设备所需的实时、高信息吞吐量应用的要求。通过使用生产者 /用户模式，控制网络具备I/O网络和对等网络的功能，同时也提供这两个网络的高速性能。ControlNet是一种高速确定性网络，它作为控制器和I/O设备之间一条高速通信链路 (数据传输速度达5Mb/ｓ)，为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它对于同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽；对于离散和连续过程控制，均具有确定性和重复性；可对输入数据和对等通信数据进行多信道广播。信息层采用现在最流行的以太网，它将控制系统与监视和信息管理系统集成起来。通过以太网，用于监控的可编程控制器、工业计算机工作站以及高级商用计算机系统可以存取设备层和控制层的生产现场信息，这样的信息可用于数据采集、监控、计划管理、统计质量控制、远程设备维护、生产流程以及物料跟踪等。

二、DeviceNet网络特点
在现代的控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视、诊断等任务，还要能通过网络与其他控制设备及PLC进行对等通信，因此现场设备多设计成内置智能式。基于这样的现状，美国RockwellAutomation公司于 1 994年推出了DeviceNet网络，实现低成本高性能的工业设备的网络互连。DeviceNet具有如下特点：
（1）DeviceNet基于CANBUS技术，它可连接开关、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为 125～ 500kb/ｓ，每个网络的最大节点数是64个，干线长度 100～500m。
（2）DeviceNet使用的通信模式是 :生产者 /客户(Producer/Consumer)。该模式允许网络上的所有节点同时存取同一源数据，网络通信效率更高；采用多信道广播信息发送方式，各个客户可在同一时间接收到生产者所发送的数据，网络利用率更高。生产者 /客户模式与传统的“源 /目的”通信模式相比，前者采用多信道广播式，网络节点同步化，网络效率高；后者采用应答式，如果要向多个设备传送信息，则需要对这些设备分别进行“呼”、“应”通信，即使是同一信息，也需要制造多个信息包，这样，增加了网络的通信量，网络响应速度受限制，难以满足高速的、对时间苛求的实时控制。
（3）设备可互换性。各个销售商所生产的符合DeviceNet网络和行规标准的简单装置 (如按钮、电机起动器、光电传感器、限位开关等 )都可以互换，为用户提供灵活性和选择性。
（4）DeviceNet上的设备可以随时连接或断开，而不会影响网上其他设备的运行，方便维护和减少维修费用，也便于系统的扩充和改造。
（5）DeviceNet上网的设备安装比传统的I/O布线更加节省费用，尤其是当设备分布在几百米范围内时，更有助于降低布线安装成本。
（6）利用RSNetworkfor DeviceNet软件可方便地对网上设备进行配置、测试和管理。网上设备以图形方式显示工作状态，一目了然。
三、变频器与DeviceNet的连接

DeviceNet变频器系统结构如图 2所示，各种拖动装置通过DeviceNet通信模块 1203GK5(也可选择内置式的 1336GM5通信模板 )连接到DeviceNet上，可编程控制器通过扫描模块SDN去获取网上信息及控制网上设备；而运行RSNetworkfor DeviceNet软件的个人计算机，则可通过接口模块KFD去组态及管理网络。1305、1336、1557是几种不同系列的变频器，可直接控制电动机的运行状态，如启停、加减速、调速、故障诊断、保护等。PanelView是人机界面操作终端，它可取代现场的开关按钮、显示仪表等；通过PanelBuilder软件组态，建立Tag与PLC数据文件交换信息，实现对网上设备操作、状态显示、故障报警等功能。DeviceNet扫描器作为PLC和现场设备之间的接口，其作用是进行设备数据的采样和格式转换。当用RSNetworkfor DeviceNet软件将网上某些设备指定由具体的一台扫描器监控后，该台SDN所属的PLC处理器运行时，SDN依次扫描各设备，采样其参数，转换成PLC接受的数据格式供PLC处理器读取，并将PLC处理器处理后的输出数据转换成各设备可以接受的格式。这种将传统的PLC的循环扫描工作分成专司数据处理的处理器和负责数据采集、发送、缓冲及格式转换的扫描器的方式，能使整个系统维护方便，通用性加强；同时，处理器和扫描器并行工作也使处理器的输出对输入的响应时间缩短，有利于实现实时闭环控制。
四、DeviceNet网络上变频器的控制

图3是PLC5通过扫描器、DeviceNet接口模块和1336Plus变频器进行数据交换的示意图。信息交换有两种方式 :一种是通过映射 (MAP)，最多允许 10个字的输入和 10个字的输出；映射方式可将网上多台设备的某些信息映射到扫描器的同一缓冲区间，再通过块传送指令与PLC交换，也就是说，PLC通过同一条块传送指令就可实现对网上多台设备的操作。另一种是对确定信息 (explicitmessage)的交换，如对变频器参数的读写等，是使用 64个字长的BTR和BTW指令直接对网上设备进行操作；这种方式只能是针对某一台设备，但可交换该设备所有信息。图3PLC5和1336Plus变频器数据交换图图 3中，映射输出Word 0包括启动、停止、清错、正反转、加减速、选择哪个频率作设定频率等控制位，设置对应的位就可使变频器实现相应的动作； Word 1存放的是变频器设定工作频率。映射输入Word 0将变频器使能、达速、运行、加减速、出错等状态信息反馈给PLC； Word 1存放的是变频器实际工作频率。Datalink A～D和变频器上的Data In/Out A～D对应，由变频器设定哪些参数与其连接，从而实现PLC对这些参数的读写；将变频器的常用监控参数，如加减速时间、多个预置频率、实际输出电流电压、故障代码等参数设定到Data In/Out上，则结合Word 0和Word 1，通过映射方式，PLC对变频器就可实现一般功能的监控。PLC对扫描器映射信息的读写是通过BTR、BTW指令实现的，而块传送指令则以字长为标记去识别扫描器缓冲区不同区间的映射信息的；对 1771 SDN来说，映射缓冲区总共有 6组，357个字长的输入和 357个字长的输出可供使用，分配给DeviceNet上不同的设备。综上所述，只要使用RSLogix 5对PLC进行编程， RSNetworkfor DeviceNet对扫描器和变频器进行组态， PanelBuilder对PanelView进行组态，就可将DeviceNet上独立的PLC、变频器、操作终端构成一个网络化的控制系统，实现对变频器的运行状态、运行参数进行监测、控制和优化。DeviceNet网络上的实时参数可以在ControlNet上共享，用先进控制算法进行优化；它还可以在以太网上共享所有变频器的运行状态和参数等数据，从而实现变频器的集成控制。它们已经应用在供水系统、消费品生产和冶金等行业上。