1、引言

變頻器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的交流傳動(dòng)技術(shù)之中。傳統(tǒng)的變頻器控制由操作面板來(lái)完成,也可以通過(guò)本地控制端子(包括邏輯輸入和模擬量輸入)實(shí)現(xiàn)，但這樣通常會(huì)帶來(lái)硬件成本增加、邏輯輸入口數(shù)量不足、模擬量傳輸不穩(wěn)定、給定精度不夠和接線較多等問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度更高要求,控制器與變頻器之間更趨于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)總線通信的方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，該方式不僅降低了系統(tǒng)集成和維護(hù)的成本，大大減少布線的數(shù)量，而且實(shí)現(xiàn)了速度給定的高精度和高穩(wěn)定性，同時(shí)上位機(jī)可以實(shí)時(shí)地對(duì)變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)[3]。

2、變頻器簡(jiǎn)介

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用實(shí)現(xiàn)變壓變頻的裝置，主要任務(wù)是把恒壓恒頻的交流電轉(zhuǎn)換為變壓變頻的交流電，以滿足交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的需要。本文選用的是施耐德公司生產(chǎn)的磁通矢量Altivar71系列變頻器，主要由交—直整流回路，直流濾波電路，直—交逆變電路三部分組成，采用交—直—交方式實(shí)現(xiàn)工頻電源向另外頻率電源的轉(zhuǎn)換。首先通過(guò)三相整流橋整流電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流；在中間直流環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)濾波、儲(chǔ)能、緩沖無(wú)功功率；最后將直流電通過(guò)逆變器變換成可變頻率和電壓的交流電源[4]。圖1給出交-直-交變壓變頻器的基本構(gòu)成。

圖1交—直—交變壓變頻器構(gòu)成圖

變頻器的控制方式指的是針對(duì)頻率、電壓、磁通和電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)之間的配合關(guān)系，比較常用的控制方式有矢量控制方式和U/f控制方式兩大類。U/f控制屬于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方式，控制電路簡(jiǎn)單，無(wú)需速度傳感器，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以該控制方式經(jīng)濟(jì)性好、通用性強(qiáng)，是目前變頻器使用較多的一種控制方式[4]。根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量電流和磁場(chǎng)分量電流，并分別加以控制，從而獲得矢量控制方式。

施耐德系列變頻器即屬于磁通矢量控制變頻器，其接線端子排有兩個(gè)模擬量輸入、一個(gè)模擬量輸出、六個(gè)邏輯量輸入、一個(gè)安全輸入、兩個(gè)繼電器輸出和一個(gè)24V輸入端子。通信方面標(biāo)配有Modbus和CANopen通信協(xié)議接口，各類型的通信卡支持市面上其它主流的通信協(xié)議，如Fipio、Ethernet、ModbusPlus、ProfibusDP、DeviceNet、Uni-Telway、INTERBUS等等，選擇適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵔涌诳ㄟM(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，Altivar71變頻器幾乎可應(yīng)用于所有工業(yè)通信環(huán)境。

3、DeviceNet總線

DeviceNet總線是美國(guó)羅克韋爾開發(fā)的，基于CANbus技術(shù)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，用于實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet總線是目前世界上廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)，它能連接到變頻器、機(jī)器人和PLC等各類工控產(chǎn)品，適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳動(dòng)裝置、開關(guān)、I/O和人機(jī)界面等）與PLC之間的通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為125-500kbt/s，傳輸距離最大為500m，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為63個(gè)。

DeviceNet總線遵循開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），這是一個(gè)分層的網(wǎng)絡(luò)通信ISO標(biāo)準(zhǔn)。他定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所有的必要功能，從物流實(shí)現(xiàn)到協(xié)議以及在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)通信控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒╗5]。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)使用主干/分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩對(duì)雙絞線分別傳輸電源和信號(hào)，細(xì)纜和粗纜分別用于分支和主干。網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度根據(jù)電纜長(zhǎng)度和速率的不同而不同。

實(shí)際生產(chǎn)中，有很多電機(jī)的變頻調(diào)速都是采用變頻器加DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。DeviceNet通信卡可以使變頻器完成Modbus協(xié)議向DeviceNet協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將ATV71連接進(jìn)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)集成式顯示終端或圖形顯示終端可以訪問修改變頻器針對(duì)通信的各種功能。

4、變頻器配置及地址分配

4.1變頻器配置

要實(shí)現(xiàn)羅克韋爾ControlLogix5555通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)與施耐德ATV71變頻器通信，首先需要對(duì)變頻器進(jìn)行通信設(shè)置。所有連接到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須有唯一的結(jié)點(diǎn)地址，遵循統(tǒng)一的通信速率：在ATV71變頻器通信卡上有8位撥碼式配置開關(guān)，前六位撥碼按相應(yīng)位權(quán)加成計(jì)算，用來(lái)設(shè)置變頻器節(jié)點(diǎn)地址；后兩位指定該變頻器節(jié)點(diǎn)的通信速率。舉例設(shè)定21號(hào)結(jié)點(diǎn)為變頻器地址，通信速率設(shè)為125kbit/s，其配置開關(guān)的設(shè)置如表1所示：

表1變頻器配置開關(guān)設(shè)置

變頻器上撥碼開關(guān)配置的改動(dòng)要在下一次上電的時(shí)候生效，通過(guò)DeviceNet開放式五針連接器接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，便可以通過(guò)掃描器中掃描出該節(jié)點(diǎn)。

由于在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)中只是標(biāo)配有AB自動(dòng)化產(chǎn)品的設(shè)備信息，而ATV71系列變頻器是法國(guó)施耐德電氣的產(chǎn)品，所以在軟件中雖然能掃描到相關(guān)變頻器節(jié)點(diǎn)，但無(wú)法識(shí)別出ATV71變頻器；又因?yàn)镽SNetWorx通過(guò)EDS文件組織網(wǎng)絡(luò)，所以首先要將變頻器和相應(yīng)的EDS文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)配置[4]。一般的EDS文件可以到設(shè)備廠商的官網(wǎng)下載，但是由于產(chǎn)品更新?lián)Q代等原因，有時(shí)找不到相應(yīng)的EDS文件。通過(guò)在RSNetWorx中設(shè)定指定變頻器輸入輸出的通訊方式以及數(shù)據(jù)大小，我們可以手動(dòng)創(chuàng)建EDS文件。由于DeviceNet卡的輸出只支持輪詢方式，所以設(shè)定輪詢通信方式，8字節(jié)輸入，8字節(jié)輸出，具體設(shè)置如圖2所以：

圖2ATV71變頻器輸入輸出通信方式選擇

施耐德ATV71變頻器在掃描器中識(shí)別出來(lái)以后，首先應(yīng)對(duì)ATV71進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，然后通過(guò)圖形終端配置變頻器的輸入輸出組件。選用控制組件不同，變頻器的輸入輸出通道亦將不同，每個(gè)通道的字節(jié)所代表的含義也不盡相同。

施耐德ATV71變頻器共有三種可用的配置：第一，是通過(guò)通信掃描器進(jìn)行控制；第二是通過(guò)開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會(huì)交流變頻器配置文件進(jìn)行控制；第三是根據(jù)Allen-Bradley變頻器配置文件進(jìn)行控制[4]。由于通過(guò)通信掃描器的控制方法是與變頻器內(nèi)置的控制器卡進(jìn)行交互的最好方式，所以本系統(tǒng)選用第一種方法。方法一可以定制與特定PLC的輸入輸出接口；通過(guò)定義4變量8字節(jié)的輸入輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)目的最大化；還能夠使用ATV71變頻器所有的可用配置。使用通信掃描器進(jìn)行配置時(shí)，應(yīng)選用通信掃描器輸出組件100和通信掃描器輸入組件101，這兩個(gè)組件交換的變量都可以定義成最大的4個(gè)參數(shù)，具體輸入輸出變量可以在圖形終端配置。表2是在圖形終端中選定的輸入組件101的控制參數(shù)[1]。

表2輸入組件101的參數(shù)設(shè)置

不同參數(shù)邏輯地址的對(duì)應(yīng)字節(jié)包含不同的信息，狀態(tài)字8603代表控制器從變頻器中讀出的狀態(tài)信息，類型是位存儲(chǔ)器，每一比特位代表特定含義；輸出速度8603是雙字節(jié)整數(shù)，只讀參數(shù)，以為單位輸出電機(jī)速度值；電機(jī)電流3204則是雙字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù)，輸出的電機(jī)電流信號(hào)單位是，需要在控制器中進(jìn)行相應(yīng)的處理[4]。表3給出狀態(tài)字8603的各位具體的含義。

表3狀態(tài)字8603各位含義

在RSNetWorx組態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，識(shí)別出注冊(cè)了EDS文件的設(shè)備；在變頻器參數(shù)選項(xiàng)卡中，設(shè)置PollProdPath和PollConsPath參數(shù)分別為輸入組件101和輸出組件100。變頻器的輸入輸出組件設(shè)置完成后，需要將ATV71變頻器的信息映射到DNB掃描適配器內(nèi)存中；在羅克韋爾編程軟件RSlogix5000中通過(guò)調(diào)用1756-DNB模塊中的映射地址，對(duì)施耐德ATV71變頻器進(jìn)行尋址操作。

4.2DeviceNet網(wǎng)絡(luò)地址分配

RSNetWorxforDeviceNet是用來(lái)組態(tài)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上的輸入輸出設(shè)備并創(chuàng)建掃描列表的軟件，組態(tài)信息和掃描列表存儲(chǔ)在DeviceNet通信適配器中。這里以配置ATV71變頻器為例，詳細(xì)介紹DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的地址映射過(guò)程。

首先，在RSNetWorx軟件中搜索出相應(yīng)的掃描器，將我們從官網(wǎng)下載的或者是手動(dòng)創(chuàng)建的EDS文件和相應(yīng)的變頻器做關(guān)聯(lián)，以便RSNetWorx組態(tài)軟件來(lái)組織網(wǎng)絡(luò)，具體關(guān)聯(lián)方法如圖3所示：

圖3變頻器EDS文件關(guān)聯(lián)方法

EDS文件配置完畢，打開1756-DNB模塊的屬性對(duì)話框中，選擇“Scanlist”選項(xiàng)卡，“AvailableDevices”下的設(shè)備即是掃描出來(lái)的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中所有可用的設(shè)備；將項(xiàng)目中需要配置的模塊單擊選中，通過(guò)“>”按鈕將模塊添加到“Scanlist”列表下，通過(guò)“<”按鈕可以將模塊從“Scanlist”列表中移除。如果需要將“AvailableDevices”列表下的所有設(shè)備全部添加到Scanlist”列表中，可以通過(guò)“>>”符號(hào)一次性全部添加，同樣的，“<<”符號(hào)可以一次性將所有設(shè)備從“Scanlist”列表中移除。編輯和配置模塊的輸入輸出地址后，點(diǎn)擊應(yīng)用即可將模塊地址映射到相應(yīng)掃描器內(nèi)存中。

掃描器與設(shè)備建立連接的類型取決于設(shè)備。掃描器按照狀態(tài)改變、循環(huán)刷新、選通和輪詢方式，順序選擇設(shè)備支持的第一種通訊連接方式。ATV71變頻器掃描器支持上述所有的通訊方式，ATV71模塊的參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4ATV71變頻器參數(shù)設(shè)置

在圖4中，勾選了“AutomaponAdd”的方式，表明模塊的地址會(huì)在掃描器中自動(dòng)映射，這樣有可能會(huì)造成適配器內(nèi)存地址的浪費(fèi)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備比較多時(shí)，為了更好地組織通信適配器內(nèi)存，我們通常選擇手動(dòng)映射地址。首先將ATV71模塊映射進(jìn)入DNB掃描器，然后便可以在程序中調(diào)用相應(yīng)的輸入輸出。圖5中右圖里面的6為ATV71模塊在DNB模塊中手動(dòng)映射的輸入字地址，16代表ATV71模塊從DNB模塊中第6個(gè)字地址的第16位起始，為ATV71的數(shù)據(jù)地址。1代表1756-DNB模塊在ControlLogix框架中的第1槽；I代表該地址對(duì)應(yīng)的是輸入數(shù)據(jù)；Data[]表示是DNB中數(shù)據(jù)組織方式是數(shù)組的形式；在程序中表示從地址Local:1:I.Data[0]為起始地址，存放的8個(gè)32位雙字。

圖5ATV71模塊映射示例

同理，對(duì)于ATV71變頻器的輸出地址，配置方式大都也采用手動(dòng)設(shè)置，選中相應(yīng)的變頻器，然后點(diǎn)擊Advanced選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中分配輸出地址的起始字節(jié)和起始位，檢查完畢后，點(diǎn)擊ApplyMapping，完成地址設(shè)置。至此變頻器網(wǎng)絡(luò)地址配置完畢。

5、結(jié)束語(yǔ)

本配置系統(tǒng)已在工廠生產(chǎn)線投入運(yùn)行，自實(shí)際運(yùn)行以來(lái)，上位機(jī)對(duì)變頻器控制及時(shí)準(zhǔn)確，對(duì)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)視良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用及維護(hù)簡(jiǎn)捷方便，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，提升了企業(yè)的自動(dòng)化水平。