李方園（1973-）

    男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。



    摘  要：現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備等互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，而變頻總線控制系統(tǒng)的特點，就是通過總線可以控制和監(jiān)控變頻器。變頻總線控制系統(tǒng)既可聯(lián)動控制也可單獨控制，能充分滿足傳動系統(tǒng)的可靠性、實時性、實用性的要求，并為實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的 “無人值班”運行提供技術(shù)準備。

     關(guān)鍵詞：變頻器；現(xiàn)場總線；通訊網(wǎng)絡(luò)；參數(shù)設(shè)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 現(xiàn)場總線的概念

    現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備等互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，它遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（又稱FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

    一般而言，現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別有以下兩點：

    （1）按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。簡而言之，現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實時性。從這個意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。

    （2）按實現(xiàn)方式比較，現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現(xiàn)成本高。

    根據(jù)國際電工委員會（IEC，International Electrotechnical Commission）標準和現(xiàn)場總線基金會（FF，F(xiàn)ieldbus Foundation）的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其都具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔(dān)某些檢測、控制和通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；使用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化測控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。

    現(xiàn)場總線主要是面向過程控制，除傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)單元是幀(Frame)。與集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS) 相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)具有可靠性高以及更好的安全性、互換性和互操作性、開放性、分散性等優(yōu)點。

    總之，現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，它遵循ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。

    2 變頻總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成

    2.1 變頻器的現(xiàn)場總線適配器

    變頻總線控制系統(tǒng)的特點，就是通過總線可以控制和監(jiān)控變頻器。在該系統(tǒng)中如果變頻器要與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)很好地進行融合，就必須使用專用的現(xiàn)場總線適配器（如圖1所示）。一般而言，變頻器的現(xiàn)場總線適配器是易拆裝的模塊，它能很方便地安裝在變頻器內(nèi)部。由于現(xiàn)場總線模塊的應(yīng)用范圍很廣，可以連接不同的可變成控制器主站，因此用戶有很大的自由性來選擇與變頻器相配合的自動化系統(tǒng)。

                        

                               圖1   現(xiàn)場總線適配器
     2.2 變頻總線控制系統(tǒng)的特點

    （1）對傳動進行控制

    通過現(xiàn)場總線，溝通上位控制系統(tǒng)和變頻器傳動之間的聯(lián)系。通過傳遞控制字，可以實現(xiàn)對傳動的多種控制功能。例如啟動，停止，復(fù)位，控制斜坡發(fā)生器的斜率，以及傳遞與速度、轉(zhuǎn)矩、位置等有關(guān)的給定值或?qū)嶋H值。
以ABB ACS800變頻器為例，其傳動控制如圖2所示。

                
                            圖2   總線控制示意

    （2）對傳動進行監(jiān)測

     傳動內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩、速度、位置、電流等一系列參數(shù)或?qū)嶋H值都可以設(shè)定循環(huán)發(fā)送模式，以滿足生產(chǎn)過程中快速的數(shù)據(jù)傳送。

    （3）對傳動進行診斷

    準確可靠的診斷信息可以從傳動設(shè)定的報警、極限和故障字中獲得，這樣就可以降低了傳動的停機時間，因而減少了生產(chǎn)的停工時間。

    （4）對傳動參數(shù)的處理

    生產(chǎn)過程中的所有參數(shù)的上載或下載都可以通過讀/寫參數(shù)來完成。

   （5）方便的擴展

    串行通訊簡化了模塊化機械設(shè)計的升級問題，使得以后的升級更為簡單。

   （6）減少安裝時間和成本

    在電纜方面，用雙絞線替換了大量傳統(tǒng)傳動控制電纜，不但降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    在設(shè)計方面，由于軟硬件采用了模塊化結(jié)構(gòu)，縮短了現(xiàn)場總線控制安裝的工期。

    在調(diào)試和裝配方面，由于采用了模塊化的機械配置，可以對系統(tǒng)中功能各自獨立的部分進行預(yù)先調(diào)試。模塊化的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的安裝變得簡單快捷。

    3 變頻器與DeviceNet組成的總線控制系統(tǒng)

    3.1 DeviceNet總線簡介

    隨著時代的進步，變頻傳動系統(tǒng)將逐步采用測控一體化思想，如何采集運行工況并對傳動設(shè)備進行自動化監(jiān)測與控制成為當(dāng)前變頻控制設(shè)計方案的主要考慮因素之一。而DeviceNet總線正好可以滿足這樣的一個需求，當(dāng)各變頻器單元設(shè)備通過安裝有DeviceNet總線的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)進行互連后，既可聯(lián)動控制也可單獨控制，是一種分層、分布、分散式的自動化智能控制系統(tǒng)，能充分滿足傳動系統(tǒng)的可靠性、實時性、實用性的要求，并為實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的 “無人值班和少人值守 ”運行提供技術(shù)準備。
                     
                       

                               圖3   DeviceNet通信連接舉例

    DeviceNet總線是全球使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，在工廠自動化領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢，能連接到變頻器、機器人、 PLC等各類工控產(chǎn)品（如圖3）。它最初是由羅克韋爾自動化提出的，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于美國，并在歐洲、日本和中國市場有明顯增長。DeviceNet總線是一種數(shù)字化、多點連接的網(wǎng)絡(luò)，在控制器和 I/O 設(shè)備之間實現(xiàn)通訊。每一個設(shè)備和控制器都是網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點。DeviceNet 是一種生產(chǎn)者/消費者模式的網(wǎng)絡(luò)支持分級通訊和報文優(yōu)先級。DeviceNet 系統(tǒng)可配置成工作在主從模式或基于對等通訊的分布式控制結(jié)構(gòu)。DeviceNet 系統(tǒng)支持使用 I/O 和顯式報文實現(xiàn)配置和控制的單點連接。 DeviceNet 還具有獨特的性能—支持網(wǎng)絡(luò)供電。這就允許那些功耗不高的設(shè)備可以直接從網(wǎng)絡(luò)上獲取電源，從而減少了接線點和尺寸。

    DeviceNet總線遵循開放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (OSI) ，這是一個分層的網(wǎng)絡(luò)通訊 ISO 標準。它定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的所有必要功能，從物流實現(xiàn)到協(xié)議以及在網(wǎng)絡(luò)上進行通訊控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?DeviceNet 使用 主干/分支拓撲結(jié)構(gòu)，兩對雙絞線分別傳輸信號和電源，粗纜和細纜分別用于主干和分支。網(wǎng)絡(luò)長度根據(jù)速率和電纜粗細不同而不同。

    3.2 基于DeviceNet總線的開放式智能變頻器的選用

   （1）基本構(gòu)成

    DeviceNet是基于現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)標準開放網(wǎng)絡(luò)，用于連接簡單的底層工業(yè)裝置。采用國際先進的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組成現(xiàn)場總線網(wǎng)，通訊可靠、實時；它主要用于實時傳輸控制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。為底層設(shè)備網(wǎng)提供了有效的接入途徑。由于采用的是DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組成現(xiàn)場總線網(wǎng)。因此，底層設(shè)備的交流變頻器及軟啟動器要求也必須具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這樣的底層設(shè)備才能掛在DeviceNet現(xiàn)場總線上?；谶@種思路，交流變頻器及軟啟動器的接入有兩種方式。一種是自身具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能的交流變頻器及軟啟動器，如ROCKWELL公司的1336 Plus系列變頻器。另一種可采用具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能I/O模塊來控制不具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能的交流變頻器及軟啟動器，如圖4所示。

                     

                                      圖4   DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能

   （2）選型

    AB公司的1305變頻器、1336PLUS 變頻器、1336IMPACT 變頻器通過1203-GK5通信模塊（對15HP，11kW以上變頻器用變頻器內(nèi)置的1336-GM5）連到設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

    （3）不具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能的交流變頻器及軟啟動器的選型

    首先選用具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能的I/O模塊。如上海電器科學(xué)研究所研制的具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊功能的DT-I/O模塊，可以通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊接口可直接掛在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線上，并由I/O模塊的輸入/輸出口可以控制交流變頻器及軟啟動器的起/停與調(diào)速。該模塊的缺點就是對交流變頻器及軟啟動器的參數(shù)卻不能直接讀取和修改。

    4 日立SJ300/L300P系列變頻器DeviceNet總線的配置與應(yīng)用

    日立SJ300系列是高性能矢量型變頻器，功率涵蓋0.75kW到132kW，并采用32位日立 SuperH (SH4) 微處理器。它不僅具有專利技術(shù)的無速度傳感器矢量控制，并可使2臺電動機同時工作在無速度傳感器矢量控制運行方式下。日立L300P系列則是目前非常成熟的風(fēng)機水泵型專用變頻，它具有自動節(jié)能運行功能、瞬時停電重起動、電網(wǎng)電壓自動穩(wěn)壓等功能。日立SJ300/L300P變頻器的DeviceNet總線聯(lián)網(wǎng)功能如圖5所示。

     日立SJ300/L300P系列的總線卡為SJ-DN，安裝步驟如下：

     （1）安裝SJ-DN到變頻器的可選插槽內(nèi)；

     （2）設(shè)置SJ-DN卡上的跳線為合適的通訊波特率和MAC ID地址；

     （3）設(shè)置變頻器參數(shù)以滿足通訊要求；

     （4）配置EDS文件和變頻器I/O數(shù)據(jù)。

    DeviceNet總線通訊使用了更為有效的生產(chǎn)者/消費者模式，取代了傳統(tǒng)的源/目的的傳輸方式。該模式要求對報文打包，使它具有數(shù)據(jù)標識位域。標識符還提供解決多級優(yōu)先權(quán)(仲裁中使用)的手段，以便更高效地傳送I/O數(shù)據(jù)，并供多個消費者使用。DeviceNet中定義了兩類不同的報文：顯式報文和I/O報文。

    （1）顯式報文(Explicit Message)

    顯式報文用于兩個設(shè)備之間多用途的信息交換，是典型的請求－響應(yīng)通信方式，一般用于節(jié)點的配置、故障情況報告和故障診斷。DeviceNet中定義了一組公共服務(wù)顯式報文，如讀取屬性、設(shè)置屬性、打開連接、關(guān)閉連接、出錯響應(yīng)、起動、停止、復(fù)位等。這類信息因為是多用途的，所以在報文中要標明報文的類型，對應(yīng)不同類型，報文格式也不同。它是根據(jù)報文和預(yù)先規(guī)定的格式說明其含義的。顯式報文通常使用優(yōu)先級低的連接標識符，并且該報文的相關(guān)信息直接包含在報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場中，包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對象的屬性及地址。

    （2）I/O報文(I/O Message)

    I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)，I/O報文對傳送的可靠性，送達時間的確定性及可重復(fù)性有很高的要求。I/O報文通常使用優(yōu)先級高的連接標識符，通過點或多點連接進行信息交換。I/O報文數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場不包含任何與協(xié)議相關(guān)的位，僅僅是實時的I/O數(shù)據(jù)。只有當(dāng)I/O報文過長，需要分段形成I/O報文片段時，數(shù)據(jù)場中才有1個字節(jié)供報文段協(xié)議使用。所謂應(yīng)用宏就是指針對不同的應(yīng)用變頻器內(nèi)部已對軟件流程、參數(shù)設(shè)置及I/O接口做好了預(yù)設(shè)定，用戶可以根據(jù)自己的需要調(diào)用所需應(yīng)用宏。

    同時，DeviceNet總線支持多種數(shù)據(jù)通信方式，如位選通(Bit-Strobe)、輪詢(Poll)、狀態(tài)改變COS (Change of State)和循環(huán)(Cyclic)等。

    在位選通方式下，利用8字節(jié)的廣播報文，64個二進制位的值對應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)上64個可能的節(jié)點，通過位的標識，指定要求響應(yīng)的從設(shè)備。輪詢方式下，I/O報文直接依次發(fā)送到各個從設(shè)備(點對點)。循環(huán)方式適用于一些模擬設(shè)備，可以根據(jù)設(shè)備信號發(fā)生的快慢，靈活設(shè)定循環(huán)進行通信的時間間隔，這樣就可以大大降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。狀態(tài)改變方式用于離散的設(shè)備，使用事件觸發(fā)方式，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時才發(fā)生通信，而不是由主設(shè)備不斷的查詢來完成。多種可選的數(shù)據(jù)交換形式，均可由用戶自由地指定。通過選擇合理的數(shù)據(jù)通信方式，可以明顯地提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

    以日立SJ300的DeviceNet總線通訊控制為例進行輪詢方式下的I/O數(shù)據(jù)值。

    在變頻器參數(shù)P46中可以設(shè)置為100，則從主站發(fā)送到SJ-DN的數(shù)據(jù)格式為如圖6所示。

                  

                   圖5   日立SJ300/L300P變頻器的DeviceNet總線配置

               

                         圖6   主站發(fā)送到SJ-DN的數(shù)據(jù)格式

    該數(shù)據(jù)格式包括8個字節(jié)，其中Byte0設(shè)置了控制命令，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、故障復(fù)位、自由停車、通訊命令來源和通訊速度來源；Byte1和Byte2為速度值；Byte3和Byte4為加速時間值；Byte5和Byte6為減速時間值。

    在變頻器參數(shù)P47中可以設(shè)置為101，則從SJ-DN發(fā)送到主站的數(shù)據(jù)格式為如圖7所示。

                  

                       圖7   SJ-DN發(fā)送到主站的數(shù)據(jù)格式

    該數(shù)據(jù)格式包括8個字節(jié)，其中Byte0和Byte7設(shè)置了返回狀態(tài)，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、故障等；Byte2和Byte3為實際速度值；Byte4和Byte5為實際電流值；Byte6為故障原因。

    按照以上通訊格式，對變頻器SJ300的頻率控制進行如下說明，如圖8所示。

    主站發(fā)送的命令：

    （1）停止命令。設(shè)置頻率50HZ（1338HEX），加速時間10秒（0064HEX），減速時間10秒（0064HEX）。所有的速度來源和控制來源均為總線通訊。

    （2）正轉(zhuǎn)命令。

    （3）改變頻率設(shè)定值為10HZ（03E8HEX）。

    （4）停止命令。

    （5）反轉(zhuǎn)運行命令。設(shè)置頻率為50HZ（1388HEX），加速時間20秒（00C8HEX），減速時間20秒（00C8HEX）。

    （6）停止命令。

    主站接收的狀態(tài)：

    （7）停止狀態(tài)。

    （8）當(dāng)變頻器接收到起動正轉(zhuǎn)命令后加速運行，“XX”代表隨時變化的頻率和電流。

    （9）速度穩(wěn)定狀態(tài)，其中頻率值為50HZ（1388HEX）。

    （10）減速狀態(tài)。

    （11）穩(wěn)定速度狀態(tài)，其中頻率值為10HZ（03E8HEX）。

    （12）減速狀態(tài)。

    （13）停止狀態(tài)。

    （14）變頻器處于反轉(zhuǎn)運行加速狀態(tài)。

    （15）穩(wěn)定速度狀態(tài)，其中頻率值為50HZ（1388HEX）。

    （16）減速狀態(tài)。

    （17）停止狀態(tài)。

                     

                       圖8   頻率控制方式下的傳送數(shù)據(jù)格式

   5 變頻總線控制系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?BR>
    從目前國內(nèi)外自動化控制系統(tǒng)所應(yīng)用的現(xiàn)場總線來看，主要有DEVICENET、PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線。變頻總線控制系統(tǒng)可以在整個自動化控制系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，也可以采用兩種或者兩種以上的現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行配置的情況，這時就可以通過總線橋原理來實現(xiàn)現(xiàn)場總線之間的調(diào)配。

    從實際應(yīng)用情況來看，變頻器行業(yè)的現(xiàn)場總線已不僅僅是一個新技術(shù)領(lǐng)域或新技術(shù)問題，在研究它的同時，我們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)改變了我們的觀念；如何去看待在變頻器應(yīng)用中使用現(xiàn)場總線，要比研究它的技術(shù)細節(jié)更為重要。

   （1）現(xiàn)場總線是一個巨大的商業(yè)機會

    一項權(quán)威報告聲稱現(xiàn)場總線的應(yīng)用將使變頻控制系統(tǒng)的成本下降67％；巨大的商業(yè)利益直接導(dǎo)致產(chǎn)生一個巨大的市場，并且促使傳統(tǒng)的變頻器控制市場萎縮，從而引發(fā)技術(shù)進步。這些對于變頻器行業(yè)來說都很重要，因為變頻器行業(yè)正處在新舊市場交替的關(guān)口。

   （2）現(xiàn)場總線是一場技術(shù)革命

    現(xiàn)場總線帶來了觀念的變化，以往開發(fā)變頻器新產(chǎn)品，往往只注意變頻器產(chǎn)品本身的性能指標，比如矢量控制的轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速精度特性等等，對于變頻器與其它相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)就考慮比較少一點。這樣對于變頻器行業(yè)這樣一個比較保守的行業(yè)來說，新產(chǎn)品就不那么容易地被用戶接收。而現(xiàn)場總線產(chǎn)品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅(qū)動的市場，用戶對新產(chǎn)品應(yīng)用的積極性比生產(chǎn)商更高。然而，變頻器現(xiàn)場總線新產(chǎn)品的開發(fā)也與傳統(tǒng)產(chǎn)品不同；它是從系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)角度來看問題，它注重的是系統(tǒng)整體性能的提高，不強求局部最優(yōu)，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統(tǒng)應(yīng)用新的理論來發(fā)揮最大的效能；這一點是傳統(tǒng)變頻器產(chǎn)品很難做到的。

    總之，現(xiàn)場總線的負跨越（指在技術(shù)水平提高的同時，掌握和應(yīng)用這項新技術(shù)的難度卻降低了）特性使它在變頻器應(yīng)用中推廣將會越來越積極，越來越為用戶所接受。

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                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》