控制网

    李方园（1973-）

    男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。



    摘  要：现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备等互连的实时控制通讯网络，而变频总线控制系统的特点，就是通过总线可以控制和监控变频器。变频总线控制系统既可联动控制也可单独控制，能充分满足传动系统的可靠性、实时性、实用性的要求，并为实现传动系统的 “无人值班”运行提供技术准备。

     关键词：变频器；现场总线；通讯网络；参数设置

     Abstract: Field bus is to realize the real-time control communication network between the best primary controller and local AI meter. AC inverter FCS is to control and monitor drives, which can work in the mode of the linkage controlling and single running. And AC inverter FCS can meet with the need of the drive system in the reliability, real-time and practicality. Finally it can prepare to support the technology of nobody on duty.

     Key words: AC inverter; field bus; commnunication network; Parameter setting
   
    1 现场总线的概念

    现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备等互连的实时控制通讯网络，它遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。现场总线控制系统（又称FCS，Fieldbus Control System）则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。

    一般而言，现场总线与局域网的区别有以下两点：

    （1）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。

    （2）按实现方式比较，现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。

    根据国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）标准和现场总线基金会（FF，Fieldbus Foundation）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统；使用公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

    现场总线主要是面向过程控制，除传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，网络交换的数据单元是帧(Frame)。与集散控制系统(Distributed Control System，DCS) 相比，现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)具有可靠性高以及更好的安全性、互换性和互操作性、开放性、分散性等优点。

    总之，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。

    2 变频总线控制系统的构成

    2.1 变频器的现场总线适配器

    变频总线控制系统的特点，就是通过总线可以控制和监控变频器。在该系统中如果变频器要与现场总线控制系统很好地进行融合，就必须使用专用的现场总线适配器（如图1所示）。一般而言，变频器的现场总线适配器是易拆装的模块，它能很方便地安装在变频器内部。由于现场总线模块的应用范围很广，可以连接不同的可变成控制器主站，因此用户有很大的自由性来选择与变频器相配合的自动化系统。

                        

                               图1   现场总线适配器
     2.2 变频总线控制系统的特点

    （1）对传动进行控制

    通过现场总线，沟通上位控制系统和变频器传动之间的联系。通过传递控制字，可以实现对传动的多种控制功能。例如启动，停止，复位，控制斜坡发生器的斜率，以及传递与速度、转矩、位置等有关的给定值或实际值。
以ABB ACS800变频器为例，其传动控制如图2所示。

                
                            图2   总线控制示意

    （2）对传动进行监测

     传动内部的转矩、速度、位置、电流等一系列参数或实际值都可以设定循环发送模式，以满足生产过程中快速的数据传送。

    （3）对传动进行诊断

    准确可靠的诊断信息可以从传动设定的报警、极限和故障字中获得，这样就可以降低了传动的停机时间，因而减少了生产的停工时间。

    （4）对传动参数的处理

    生产过程中的所有参数的上载或下载都可以通过读/写参数来完成。

   （5）方便的扩展

    串行通讯简化了模块化机械设计的升级问题，使得以后的升级更为简单。

   （6）减少安装时间和成本

    在电缆方面，用双绞线替换了大量传统传动控制电缆，不但降低了成本，而且提高了系统的稳定性。

    在设计方面，由于软硬件采用了模块化结构，缩短了现场总线控制安装的工期。

    在调试和装配方面，由于采用了模块化的机械配置，可以对系统中功能各自独立的部分进行预先调试。模块化的结构使得系统的安装变得简单快捷。

    3 变频器与DeviceNet组成的总线控制系统

    3.1 DeviceNet总线简介

    随着时代的进步，变频传动系统将逐步采用测控一体化思想，如何采集运行工况并对传动设备进行自动化监测与控制成为当前变频控制设计方案的主要考虑因素之一。而DeviceNet总线正好可以满足这样的一个需求，当各变频器单元设备通过安装有DeviceNet总线的现场控制网络进行互连后，既可联动控制也可单独控制，是一种分层、分布、分散式的自动化智能控制系统，能充分满足传动系统的可靠性、实时性、实用性的要求，并为实现传动系统的 “无人值班和少人值守 ”运行提供技术准备。
                     
                       

                               图3   DeviceNet通信连接举例

    DeviceNet总线是全球使用最广泛的现场总线之一，在工厂自动化领域有明显优势，能连接到变频器、机器人、 PLC等各类工控产品（如图3）。它最初是由罗克韦尔自动化提出的，现在已广泛应用于美国，并在欧洲、日本和中国市场有明显增长。DeviceNet总线是一种数字化、多点连接的网络，在控制器和 I/O 设备之间实现通讯。每一个设备和控制器都是网络上的一个节点。DeviceNet 是一种生产者/消费者模式的网络支持分级通讯和报文优先级。DeviceNet 系统可配置成工作在主从模式或基于对等通讯的分布式控制结构。DeviceNet 系统支持使用 I/O 和显式报文实现配置和控制的单点连接。 DeviceNet 还具有独特的性能—支持网络供电。这就允许那些功耗不高的设备可以直接从网络上获取电源，从而减少了接线点和尺寸。

    DeviceNet总线遵循开放系统互联模型 (OSI) ，这是一个分层的网络通讯 ISO 标准。它定义了网络协议的所有必要功能，从物流实现到协议以及在网络上进行通讯控制和数据传输的方法。 DeviceNet 使用 主干/分支拓扑结构，两对双绞线分别传输信号和电源，粗缆和细缆分别用于主干和分支。网络长度根据速率和电缆粗细不同而不同。

    3.2 基于DeviceNet总线的开放式智能变频器的选用

   （1）基本构成

    DeviceNet是基于现场总线技术的工业标准开放网络，用于连接简单的底层工业装置。采用国际先进的DeviceNet网络组成现场总线网，通讯可靠、实时；它主要用于实时传输控制数据，实现了低成本高性能的工业设备的网络互连。为底层设备网提供了有效的接入途径。由于采用的是DeviceNet网络组成现场总线网。因此，底层设备的交流变频器及软启动器要求也必须具备DeviceNet网络通讯协议，这样的底层设备才能挂在DeviceNet现场总线上。基于这种思路，交流变频器及软启动器的接入有两种方式。一种是自身具备DeviceNet网络通讯功能的交流变频器及软启动器，如ROCKWELL公司的1336 Plus系列变频器。另一种可采用具备DeviceNet网络通讯功能I/O模块来控制不具备DeviceNet网络通讯功能的交流变频器及软启动器，如图4所示。

                     

                                      图4   DeviceNet网络通讯功能

   （2）选型

    AB公司的1305变频器、1336PLUS 变频器、1336IMPACT 变频器通过1203-GK5通信模块（对15HP，11kW以上变频器用变频器内置的1336-GM5）连到设备网网络。

    （3）不具备DeviceNet网络通讯功能的交流变频器及软启动器的选型

    首先选用具备DeviceNet网络通讯功能的I/O模块。如上海电器科学研究所研制的具备DeviceNet网络通讯功能的DT-I/O模块，可以通过DeviceNet网络通讯接口可直接挂在DeviceNet网络的现场总线上，并由I/O模块的输入/输出口可以控制交流变频器及软启动器的起/停与调速。该模块的缺点就是对交流变频器及软启动器的参数却不能直接读取和修改。

    4 日立SJ300/L300P系列变频器DeviceNet总线的配置与应用

    日立SJ300系列是高性能矢量型变频器，功率涵盖0.75kW到132kW，并采用32位日立 SuperH (SH4) 微处理器。它不仅具有专利技术的无速度传感器矢量控制，并可使2台电动机同时工作在无速度传感器矢量控制运行方式下。日立L300P系列则是目前非常成熟的风机水泵型专用变频，它具有自动节能运行功能、瞬时停电重起动、电网电压自动稳压等功能。日立SJ300/L300P变频器的DeviceNet总线联网功能如图5所示。

     日立SJ300/L300P系列的总线卡为SJ-DN，安装步骤如下：

     （1）安装SJ-DN到变频器的可选插槽内；

     （2）设置SJ-DN卡上的跳线为合适的通讯波特率和MAC ID地址；

     （3）设置变频器参数以满足通讯要求；

     （4）配置EDS文件和变频器I/O数据。

    DeviceNet总线通讯使用了更为有效的生产者/消费者模式，取代了传统的源/目的的传输方式。该模式要求对报文打包，使它具有数据标识位域。标识符还提供解决多级优先权(仲裁中使用)的手段，以便更高效地传送I/O数据，并供多个消费者使用。DeviceNet中定义了两类不同的报文：显式报文和I/O报文。

    （1）显式报文(Explicit Message)

    显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换，是典型的请求－响应通信方式，一般用于节点的配置、故障情况报告和故障诊断。DeviceNet中定义了一组公共服务显式报文，如读取属性、设置属性、打开连接、关闭连接、出错响应、起动、停止、复位等。这类信息因为是多用途的，所以在报文中要标明报文的类型，对应不同类型，报文格式也不同。它是根据报文和预先规定的格式说明其含义的。显式报文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息直接包含在报文数据帧的数据场中，包括要执行的服务和相关对象的属性及地址。

    （2）I/O报文(I/O Message)

    I/O报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据，I/O报文对传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过点或多点连接进行信息交换。I/O报文数据帧中的数据场不包含任何与协议相关的位，仅仅是实时的I/O数据。只有当I/O报文过长，需要分段形成I/O报文片段时，数据场中才有1个字节供报文段协议使用。所谓应用宏就是指针对不同的应用变频器内部已对软件流程、参数设置及I/O接口做好了预设定，用户可以根据自己的需要调用所需应用宏。

    同时，DeviceNet总线支持多种数据通信方式，如位选通(Bit-Strobe)、轮询(Poll)、状态改变COS (Change of State)和循环(Cyclic)等。

    在位选通方式下，利用8字节的广播报文，64个二进制位的值对应着网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备。轮询方式下，I/O报文直接依次发送到各个从设备(点对点)。循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备信号发生的快慢，灵活设定循环进行通信的时间间隔，这样就可以大大降低对网络带宽的要求。状态改变方式用于离散的设备，使用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信，而不是由主设备不断的查询来完成。多种可选的数据交换形式，均可由用户自由地指定。通过选择合理的数据通信方式，可以明显地提高网络利用率。

    以日立SJ300的DeviceNet总线通讯控制为例进行轮询方式下的I/O数据值。

    在变频器参数P46中可以设置为100，则从主站发送到SJ-DN的数据格式为如图6所示。

                  

                   图5   日立SJ300/L300P变频器的DeviceNet总线配置

               

                         图6   主站发送到SJ-DN的数据格式

    该数据格式包括8个字节，其中Byte0设置了控制命令，如正转、反转、故障复位、自由停车、通讯命令来源和通讯速度来源；Byte1和Byte2为速度值；Byte3和Byte4为加速时间值；Byte5和Byte6为减速时间值。

    在变频器参数P47中可以设置为101，则从SJ-DN发送到主站的数据格式为如图7所示。

                  

                       图7   SJ-DN发送到主站的数据格式

    该数据格式包括8个字节，其中Byte0和Byte7设置了返回状态，如正转、反转、故障等；Byte2和Byte3为实际速度值；Byte4和Byte5为实际电流值；Byte6为故障原因。

    按照以上通讯格式，对变频器SJ300的频率控制进行如下说明，如图8所示。

    主站发送的命令：

    （1）停止命令。设置频率50HZ（1338HEX），加速时间10秒（0064HEX），减速时间10秒（0064HEX）。所有的速度来源和控制来源均为总线通讯。

    （2）正转命令。

    （3）改变频率设定值为10HZ（03E8HEX）。

    （4）停止命令。

    （5）反转运行命令。设置频率为50HZ（1388HEX），加速时间20秒（00C8HEX），减速时间20秒（00C8HEX）。

    （6）停止命令。

    主站接收的状态：

    （7）停止状态。

    （8）当变频器接收到起动正转命令后加速运行，“XX”代表随时变化的频率和电流。

    （9）速度稳定状态，其中频率值为50HZ（1388HEX）。

    （10）减速状态。

    （11）稳定速度状态，其中频率值为10HZ（03E8HEX）。

    （12）减速状态。

    （13）停止状态。

    （14）变频器处于反转运行加速状态。

    （15）稳定速度状态，其中频率值为50HZ（1388HEX）。

    （16）减速状态。

    （17）停止状态。

                     

                       图8   频率控制方式下的传送数据格式

   5 变频总线控制系统的发展潜力

    从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有DEVICENET、PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等现场总线。变频总线控制系统可以在整个自动化控制系统中只采用一种现场总线，也可以采用两种或者两种以上的现场总线系统进行配置的情况，这时就可以通过总线桥原理来实现现场总线之间的调配。

    从实际应用情况来看，变频器行业的现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待在变频器应用中使用现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。

   （1）现场总线是一个巨大的商业机会

    一项权威报告声称现场总线的应用将使变频控制系统的成本下降67％；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，并且促使传统的变频器控制市场萎缩，从而引发技术进步。这些对于变频器行业来说都很重要，因为变频器行业正处在新旧市场交替的关口。

   （2）现场总线是一场技术革命

    现场总线带来了观念的变化，以往开发变频器新产品，往往只注意变频器产品本身的性能指标，比如矢量控制的转矩特性、转速精度特性等等，对于变频器与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。这样对于变频器行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，变频器现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统变频器产品很难做到的。

    总之，现场总线的负跨越（指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了）特性使它在变频器应用中推广将会越来越积极，越来越为用户所接受。

    参考文献：

    [1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 北京: 中国电力出版社，2006.

    [2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 北京: 电子工业出版社，2007.

    [3] 张燕宾，胡纲衡，唐瑞球. 使用变频调速技术培训教程[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.

    [4] 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册（第2版）[M]. 北京: 机械工业出版社，2003.

    [5] 吴忠智，黄立培，吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南[M]. 北京: 机械工业出版社，2002.


                                                      ——转自《自动化博览》