基于以太網(wǎng)的VVVF參數(shù)在線監(jiān)控系統(tǒng)

1  引言

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化以及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，VVVF的使用越來越廣泛，而計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得遠(yuǎn)程控制變得簡單可行。而現(xiàn)有的介紹如何利用軟件在線對(duì)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的文章不多，本文就是要介紹使用Rockwell公司的RSView32軟件對(duì)Allen-Bradley 公司1305變頻調(diào)速器參數(shù)進(jìn)行在線讀寫控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流異步電機(jī)的控制。

2  相關(guān)硬件
2.1 以太網(wǎng)簡介

　　以太網(wǎng)系統(tǒng)最早是由施樂(Xerox)公司創(chuàng)建的，現(xiàn)在使用的以態(tài)網(wǎng)(EtherNet)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CD(載波偵聽多點(diǎn)存取/沖突檢測)協(xié)議。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)場總線相比，它具有成本低廉，通信速率高(目前比較普遍的以太網(wǎng)通信速率為10M)，開放性好，協(xié)議簡單且可植性強(qiáng)以及可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)。因此可以預(yù)見的是，不斷完善的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)一旦解決原有的以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性、缺合適的工業(yè)控制應(yīng)用層規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)安全威脅等技術(shù)難題，以太網(wǎng)將全面應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

2.2 設(shè)備網(wǎng)簡介

　　在設(shè)備層采用的設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)網(wǎng)絡(luò)是一種低層網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)網(wǎng)絡(luò)是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術(shù)的開放型符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。它通過一根電纜將諸如可編程序控制器、傳感器、HIM、變頻器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，是一種分布式控制系統(tǒng)。設(shè)備網(wǎng)與一般的通信總線相比具有突出的高可靠性實(shí)時(shí)性和靈活性。其主要特點(diǎn)可以概括如下:
　　(1)采用基于CAN的多主方式工作;
　　(2)采用非破壞性總線逐位仲裁技術(shù);
　　(3)設(shè)備網(wǎng)上可以容納多達(dá)64個(gè)節(jié)點(diǎn)地址;
　　(4)采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸;
　　(5)通信介質(zhì)為獨(dú)立雙絞線;
　　(6)支持設(shè)備的熱插拔。

2.3 1203通訊模塊

　　1203的前面板上具有SCANport 和DeviceNet通訊接口、SCANport 和DeviceNet 狀態(tài)指示燈。SCANport 通訊接口和1305連接，由DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)提供24VDC電源。SCANPort是一種設(shè)備通信接口，是Allen-Bradley公司開發(fā)的一種CAN(Control Area Network)接口標(biāo)準(zhǔn)，可以為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供直接的、數(shù)字的通信鏈路，可將具有SCANport接口的所有設(shè)備連接到設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。利用SCANport接口，通過定義Ｉ/Ｏ映象表、輸入/輸出映象表，既可以向與其相連的拖動(dòng)設(shè)備發(fā)送命令，控制設(shè)備運(yùn)行;又可以從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)。不同的設(shè)備，對(duì)邏輯命令、邏輯狀態(tài)等信號(hào)的位(或字)會(huì)有不同的含義。1203底板有SW1、SW2兩個(gè)DIP開關(guān)，其定義如下:
ＳＷ1-1=On，表示選通數(shù)據(jù)鏈路Ａ，ＳＷ1-2～ＳＷ1-4=On，分別表示選通數(shù)據(jù)鏈路Ｂ～Ｄ;ＳＷ2-1～ＳＷ2-6可以選擇0～63的節(jié)點(diǎn)地址;ＳＷ2-7和ＳＷ2-8可用來選擇數(shù)據(jù)傳輸速度，可有125Ｋ、250Ｋ和500Ｋ三種選擇。ＳＷ2-7=On、ＳＷ2-8=On時(shí)，通信模塊的節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)速度是由設(shè)備網(wǎng)的內(nèi)部程序設(shè)定，用設(shè)備網(wǎng)管理軟件調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)傳輸速度的程序設(shè)定。

3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)組成

　　采用以太網(wǎng)＋設(shè)備網(wǎng)的通訊體系,以太網(wǎng)作為信息管理子層，用于上位機(jī)傳送調(diào)度指令和信息，可以實(shí)現(xiàn)比較長的空間跨距傳輸數(shù)據(jù);設(shè)備網(wǎng)通過一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，將底層的設(shè)備直接和車間級(jí)控制器相連，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接。

在工業(yè)控制現(xiàn)場，這種多支線的網(wǎng)絡(luò)允許用戶用一根電纜去連接500m以內(nèi)的設(shè)備并遠(yuǎn)至各個(gè)工藝控制單元的用戶可編程序控制器。因此，本文介紹的網(wǎng)絡(luò)體系也具有實(shí)際的參考價(jià)值。
　　(1) 設(shè)備層 在這一層上，現(xiàn)場控制設(shè)備直接與現(xiàn)場各類裝置(如傳感器、驅(qū)動(dòng)器等)相連，對(duì)所連裝置實(shí)施監(jiān)測、控制，同時(shí)與上層相連，接收管理信息，并向上傳送裝置的特性數(shù)據(jù)和采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
　　(2) 信息層 這一層根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)，協(xié)調(diào)各下層單元的參數(shù)設(shè)定，是生產(chǎn)的總協(xié)調(diào)員和控制器。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大而實(shí)時(shí)性要求不高。它的開放性協(xié)議使各種主計(jì)算機(jī)和不同廠商的PLC可以互聯(lián)，在必要時(shí)也可以進(jìn)行一些控制和協(xié)調(diào)。這一層采用符合公共標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。

4  通訊組態(tài)和軟件開發(fā)

　　項(xiàng)目利用Rockwell公司開發(fā)的軟件RSLinx實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與網(wǎng)上各設(shè)備建立通信的軟件。它的作用相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的通信與數(shù)據(jù)交換服務(wù)器，利用RSLogix500用于編寫梯形圖程序下載到SLC5/05中。利用RSNETWorx軟件進(jìn)行SCANPORT I/O映象配置以及所需控制參數(shù)的選擇(注:需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與設(shè)備網(wǎng)上設(shè)備直接通訊的DeviceNet通道下載或直接利用變頻器的HIM手動(dòng)設(shè)置)。
項(xiàng)目使用RSVew32軟件進(jìn)行基于win32標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口界面的開發(fā)。它還提供了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集功能于一體。

4.1 以太網(wǎng)組態(tài)

　　主要是進(jìn)行RSLogix 500編程:
　　首先得通過RS-232下載程序，把“Channel Configuration”中的IP傳遞給CPU，然后在RSLinx中組態(tài)Ethernet:配置網(wǎng)絡(luò)名、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議〔TCP/IP〕、通信設(shè)備類型以及帶寬地址。然后，讓RSLinx自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如能正確識(shí)別各節(jié)點(diǎn)就完成了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建立。

4.2 選擇參數(shù)控制

　　Allen-Bradley公司生產(chǎn)的1305變頻調(diào)速器共有13組149個(gè)參數(shù)， 以一臺(tái)變頻器為例:
　　(1) SLC輸出映像表中的O:1.1中的字為變頻器的邏輯控制命令;O:1.2中的字為頻率基準(zhǔn)值;O:1.3-O:1.10為輸出數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)。
　　(2) 輸入映像表中I:1.1對(duì)應(yīng)變頻器的邏輯狀態(tài)字;I:1.2中的字為頻率反饋值;I:1.3-I:1.10中的數(shù)據(jù)為輸人數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)。具有Datalinks方式的模塊和設(shè)備共有4個(gè)數(shù)據(jù)鏈A、B、C、D，每個(gè)數(shù)據(jù)鏈在H工處理器的輸入和輸出映射表中占用2個(gè)字。如A數(shù)據(jù)鏈占用字3和字4，通過通信模塊的撥動(dòng)開關(guān)來選通／截止某個(gè)數(shù)據(jù)鏈。SLC處理器每次掃描程序，可對(duì)變頻器讀或?qū)?-8個(gè)字的數(shù)據(jù)信息;由于通信模塊不斷地自動(dòng)刷新參數(shù)值，故它的讀寫速度比報(bào)文方式要快，更適合于實(shí)時(shí)監(jiān)視和修改參數(shù)。對(duì)于變頻器來說，如要傳送某個(gè)多數(shù)，必須在變頻器中對(duì)各數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行組態(tài)以決定數(shù)據(jù)鏈指向哪個(gè)參數(shù)。例如通過Datalink A改變變頻器的7號(hào)參數(shù)，可沒定Data in AI為7。即指針指向7號(hào)參數(shù)，則SLC輸出映像表中的O:1.3中的字將送人7號(hào)參數(shù)。
　　(3) 值得注意的:要點(diǎn)
　　按附表，對(duì)應(yīng)1305適配器I/0組的參數(shù)111-118為輸出參數(shù)選擇，119-126為輸入?yún)��?shù)選擇。因此，也只能控制有限的16個(gè)參數(shù)(寫&讀)，經(jīng)過嘗試和研究，認(rèn)為通過類似C語言的間接尋址方式可以動(dòng)態(tài)的對(duì)所選的參數(shù)號(hào)進(jìn)行更改。即在Data Out A1的參數(shù)設(shè)為120即指向Data Out A2，這樣如果改變Data Out A1的數(shù)值就可以動(dòng)態(tài)設(shè)定Data Out A2端口對(duì)應(yīng)的參數(shù)號(hào)，此時(shí)就可以通過輸入Data Out A2的數(shù)值來達(dá)到改變參數(shù)數(shù)值的目的，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的改變多個(gè)參數(shù)。I/O地址映射表見附表。

4.3 程序編寫

　　利用羅克韋爾(Rockwell)公司的RSLogix500程序?qū)�SLC5/05進(jìn)行梯形圖編程，程序主要實(shí)現(xiàn)的是變頻器頻率設(shè)定、起停控制以及參數(shù)尋址空間分配的功能。啟動(dòng)控制的數(shù)值由邏輯控制字決定，頻率輸入基準(zhǔn)值與實(shí)際頻率成比例K。
K=(fsmax-fsmin)÷(fmax-fmin)  (1)
式(1)中fsmax是設(shè)定的最高頻率的對(duì)應(yīng)實(shí)際數(shù)值， fsmin是設(shè)定的最高頻率對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值，fmax是最高頻率，fmin是最低頻率。本項(xiàng)目設(shè)定fsmax=32676， =0，fmax =60Hz，fmin =0Hz，所以求出K 546。
由于1305變頻器的Adapter I/O 組參數(shù)對(duì)應(yīng)共16個(gè)字，故在SLC中分配了16個(gè)字的空間。

4.4 界面開發(fā)

　　使用RSView32設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面系統(tǒng)。主要界面，共有近30個(gè)，用來實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。系統(tǒng)可以分為3大部分:遠(yuǎn)程控制，歷史記錄和安全機(jī)制。
　　高級(jí)設(shè)置可以進(jìn)行變頻器的參數(shù)修改，當(dāng)前狀態(tài)用來讀取變頻器當(dāng)前參數(shù)值.

4.5 V/F線選擇

　　1305變頻器支持V/F控制功能，為了改善拖動(dòng)系統(tǒng)在變頻后的機(jī)械特性，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場不同負(fù)載類型的實(shí)際需要，項(xiàng)目設(shè)置了如圖3所示4種補(bǔ)償不同的V/F供用戶選擇，其類型主要是由高級(jí)設(shè)置組的參數(shù)所決定。
　　(1) 標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式:恒轉(zhuǎn)矩的V/F線。
　　(2) 自定義模式:針對(duì)有些負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大致成比例而采用的V/F比分段補(bǔ)償線。這種補(bǔ)償方式，即轉(zhuǎn)速低時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，補(bǔ)償較少而當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而使得補(bǔ)償增大。
　　(3) 啟動(dòng)/運(yùn)行補(bǔ)償模式:針對(duì)某些負(fù)載要求有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而采用的補(bǔ)償線。
　　(4) 扇/泵模式:顧名思義，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所以這種模式是負(fù)補(bǔ)償?shù)腣/F線。
　　需要注意的是，設(shè)定V/F線的原則是，以最低工作頻率時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載為前提，盡量減小補(bǔ)償程度。
　　a) 標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式 b)自定義模式c)運(yùn)行補(bǔ)償模式d)扇/泵模式

5  結(jié)束語

　　基于CAN技術(shù)和相關(guān)協(xié)議的設(shè)備網(wǎng)已成為新一代開放式自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而以太網(wǎng)不但滿足一般網(wǎng)絡(luò)的條件，目前也是最為廣泛的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)。利用這兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的VVVF參數(shù)在線監(jiān)控方法結(jié)構(gòu)清晰、操作方便，而且伴隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，相信基于以太網(wǎng)的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用VVVF的工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用將是前途無限。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 浙江大學(xué)羅克韋爾自動(dòng)化技術(shù)中心. 可編程序控制器系統(tǒng)[M] 浙江大學(xué)出版社,1999.
　　[2] Allen－Bradley.1305 Adjustable Frequency AC Drive (Series C) User Manual.[M]
　　[3] Allen－Bradley.Bulletin 1203 DeviceNet Communication Module [M]
　　[4] 張燕斌. SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.