基于以太網的VVVF參數在線監控系統

1  引言

　　隨著工業自動化以及電力電子技術的飛速發展，VVVF的使用越來越廣泛，而計算機技術尤其是以太網網絡技術的發展，使得遠程控制變得簡單可行。而現有的介紹如何利用軟件在線對VVVF調速系統的參數進行調整的文章不多，本文就是要介紹使用Rockwell公司的RSView32軟件對Allen-Bradley 公司1305變頻調速器參數進行在線讀寫控制，最終實現對三相交流異步電機的控制。

2  相關硬件
2.1 以太網簡介

　　以太網系統最早是由施樂(Xerox)公司創建的，現在使用的以態網(EtherNet)采用總線式拓撲結構和IEEE802.3標準的CSMA/CD(載波偵聽多點存取/沖突檢測)協議。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡，與現場總線相比，它具有成本低廉，通信速率高(目前比較普遍的以太網通信速率為10M)，開放性好，協議簡單且可植性強以及可持續發展潛力大等優點。因此可以預見的是，不斷完善的工業以太網技術一旦解決原有的以太網通信實時性、缺合適的工業控制應用層規范、網絡安全威脅等技術難題，以太網將全面應用于工業控制網絡。

2.2 設備網簡介

　　在設備層采用的設備網(DeviceNet)網絡是一種低層網絡，設備網(DeviceNet)網絡是90年代中期發展起來的一種基于CAN技術的開放型符合全球工業標準的低成本、高性能的通信網絡。它通過一根電纜將諸如可編程序控制器、傳感器、HIM、變頻器等現場智能設備連接起來，是一種分布式控制系統。設備網與一般的通信總線相比具有突出的高可靠性實時性和靈活性。其主要特點可以概括如下:
　　(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;
　　(3)設備網上可以容納多達64個節點地址;
　　(4)采用短幀結構傳輸;
　　(5)通信介質為獨立雙絞線;
　　(6)支持設備的熱插拔。

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 狀態指示燈。SCANport 通訊接口和1305連接，由DeviceNet 網絡提供24VDC電源。SCANPort是一種設備通信接口，是Allen-Bradley公司開發的一種CAN(Control Area Network)接口標準，可以為網絡中各個網絡設備提供直接的、數字的通信鏈路，可將具有SCANport接口的所有設備連接到設備網網絡。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設備發送命令，控制設備運行;又可以從設備讀取數據，監視設備的狀態。不同的設備，對邏輯命令、邏輯狀態等信號的位(或字)會有不同的含義。1203底板有SW1、SW2兩個DIP開關，其定義如下:
ＳＷ1-1=On，表示選通數據鏈路Ａ，ＳＷ1-2～ＳＷ1-4=On，分別表示選通數據鏈路Ｂ～Ｄ;ＳＷ2-1～ＳＷ2-6可以選擇0～63的節點地址;ＳＷ2-7和ＳＷ2-8可用來選擇數據傳輸速度，可有125Ｋ、250Ｋ和500Ｋ三種選擇。ＳＷ2-7=On、ＳＷ2-8=On時，通信模塊的節點地址和數據速度是由設備網的內部程序設定，用設備網管理軟件調整相應參數的數值，可以實現節點地址和數據傳輸速度的程序設定。

3  系統結構和網絡組成

　　采用以太網＋設備網的通訊體系,以太網作為信息管理子層，用于上位機傳送調度指令和信息，可以實現比較長的空間跨距傳輸數據;設備網通過一個開放的網絡，將底層的設備直接和車間級控制器相連，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接。

在工業控制現場，這種多支線的網絡允許用戶用一根電纜去連接500m以內的設備并遠至各個工藝控制單元的用戶可編程序控制器。因此，本文介紹的網絡體系也具有實際的參考價值。
　　(1) 設備層 在這一層上，現場控制設備直接與現場各類裝置(如傳感器、驅動器等)相連，對所連裝置實施監測、控制，同時與上層相連，接收管理信息，并向上傳送裝置的特性數據和采集的實時數據。
　　(2) 信息層 這一層根據生產特點，協調各下層單元的參數設定，是生產的總協調員和控制器。其特點是數據量大而實時性要求不高。它的開放性協議使各種主計算機和不同廠商的PLC可以互聯，在必要時也可以進行一些控制和協調。這一層采用符合公共標準的TCP/IP協議的以太網。

4  通訊組態和軟件開發

　　項目利用Rockwell公司開發的軟件RSLinx實現PC機與網上各設備建立通信的軟件。它的作用相當于網絡中的通信與數據交換服務器，利用RSLogix500用于編寫梯形圖程序下載到SLC5/05中。利用RSNETWorx軟件進行SCANPORT I/O映象配置以及所需控制參數的選擇(注:需要實現計算機與設備網上設備直接通訊的DeviceNet通道下載或直接利用變頻器的HIM手動設置)。
項目使用RSVew32軟件進行基于win32標準的人機接口界面的開發。它還提供了對整個系統的監視、控制和數據采集功能于一體。

4.1 以太網組態

　　主要是進行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Ethernet:配置網絡名、網絡協議〔TCP/IP〕、通信設備類型以及帶寬地址。然后，讓RSLinx自動搜索網絡節點，如能正確識別各節點就完成了以太網網絡平臺的建立。

4.2 選擇參數控制

　　Allen-Bradley公司生產的1305變頻調速器共有13組149個參數， 以一臺變頻器為例:
　　(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中的字為頻率基準值;O:1.3-O:1.10為輸出數據鏈數據。
　　(2) 輸入映像表中I:1.1對應變頻器的邏輯狀態字;I:1.2中的字為頻率反饋值;I:1.3-I:1.10中的數據為輸人數據鏈數據。具有Datalinks方式的模塊和設備共有4個數據鏈A、B、C、D，每個數據鏈在H工處理器的輸入和輸出映射表中占用2個字。如A數據鏈占用字3和字4，通過通信模塊的撥動開關來選通／截止某個數據鏈。SLC處理器每次掃描程序，可對變頻器讀或寫2-8個字的數據信息;由于通信模塊不斷地自動刷新參數值，故它的讀寫速度比報文方式要快，更適合于實時監視和修改參數。對于變頻器來說，如要傳送某個多數，必須在變頻器中對各數據鏈進行組態以決定數據鏈指向哪個參數。例如通過Datalink A改變變頻器的7號參數，可沒定Data in AI為7。即指針指向7號參數，則SLC輸出映像表中的O:1.3中的字將送人7號參數。
　　(3) 值得注意的:要點
　　按附表，對應1305適配器I/0組的參數111-118為輸出參數選擇，119-126為輸入參數選擇。因此，也只能控制有限的16個參數(寫&讀)，經過嘗試和研究，認為通過類似C語言的間接尋址方式可以動態的對所選的參數號進行更改。即在Data Out A1的參數設為120即指向Data Out A2，這樣如果改變Data Out A1的數值就可以動態設定Data Out A2端口對應的參數號，此時就可以通過輸入Data Out A2的數值來達到改變參數數值的目的，從而實現動態的改變多個參數。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程序對SLC5/05進行梯形圖編程，程序主要實現的是變頻器頻率設定、起停控制以及參數尋址空間分配的功能。啟動控制的數值由邏輯控制字決定，頻率輸入基準值與實際頻率成比例K。
K=(fsmax-fsmin)÷(fmax-fmin)  (1)
式(1)中fsmax是設定的最高頻率的對應實際數值， fsmin是設定的最高頻率對應的實際數值，fmax是最高頻率，fmin是最低頻率。本項目設定fsmax=32676， =0，fmax =60Hz，fmin =0Hz，所以求出K 546。
由于1305變頻器的Adapter I/O 組參數對應共16個字，故在SLC中分配了16個字的空間。

4.4 界面開發

　　使用RSView32設計人機交互界面系統。主要界面，共有近30個，用來實現各種不同的功能。系統可以分為3大部分:遠程控制，歷史記錄和安全機制。
　　高級設置可以進行變頻器的參數修改，當前狀態用來讀取變頻器當前參數值.

4.5 V/F線選擇

　　1305變頻器支持V/F控制功能，為了改善拖動系統在變頻后的機械特性，根據工業現場不同負載類型的實際需要，項目設置了如圖3所示4種補償不同的V/F供用戶選擇，其類型主要是由高級設置組的參數所決定。
　　(1) 標準補償模式:恒轉矩的V/F線。
　　(2) 自定義模式:針對有些負載的阻轉矩與轉速大致成比例而采用的V/F比分段補償線。這種補償方式，即轉速低時負載轉矩小，補償較少而當轉速升高時，由于負載轉矩增大而使得補償增大。
　　(3) 啟動/運行補償模式:針對某些負載要求有較高的啟動轉矩而采用的補償線。
　　(4) 扇/泵模式:顧名思義，風機和泵類負載的阻轉矩與轉速的二次方成正比，所以這種模式是負補償的V/F線。
　　需要注意的是，設定V/F線的原則是，以最低工作頻率時能帶動負載為前提，盡量減小補償程度。
　　a) 標準補償模式 b)自定義模式c)運行補償模式d)扇/泵模式

5  結束語

　　基于CAN技術和相關協議的設備網已成為新一代開放式自動化控制系統的基礎，而以太網不但滿足一般網絡的條件，目前也是最為廣泛的計算機通信技術。利用這兩層網絡架構的VVVF參數在線監控方法結構清晰、操作方便，而且伴隨著電力電子技術以及工業以太網技術的不斷完善，相信基于以太網的參數監控系統在應用VVVF的工業現場實際應用將是前途無限。

參考文獻

　　[1] 浙江大學羅克韋爾自動化技術中心. 可編程序控制器系統[M] 浙江大學出版社,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變頻調速應用技術[M]. 北京:機械工業出版社，2002.