1、引言

變頻器被廣泛應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的交流傳動技術之中。傳統(tǒng)的變頻器控制由操作面板來完成,也可以通過本地控制端子(包括邏輯輸入和模擬量輸入)實現(xiàn)，但這樣通常會帶來硬件成本增加、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)絡技術的發(fā)展以及現(xiàn)場對生產(chǎn)的自動化程度更高要求,控制器與變頻器之間更趨于通過現(xiàn)場實時總線通信的方式以實現(xiàn)對變頻器的遠程控制和監(jiān)視，該方式不僅降低了系統(tǒng)集成和維護的成本，大大減少布線的數(shù)量，而且實現(xiàn)了速度給定的高精度和高穩(wěn)定性，同時上位機可以實時地對變頻器進行控制和監(jiān)測[3]。

2、變頻器簡介

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用實現(xiàn)變壓變頻的裝置，主要任務是把恒壓恒頻的交流電轉換為變壓變頻的交流電，以滿足交流電動機變頻調速的需要。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—交方式實現(xiàn)工頻電源向另外頻率電源的轉換。首先通過三相整流橋整流電路將工頻交流電轉換成直流；在中間直流環(huán)節(jié)經(jīng)過濾波、儲能、緩沖無功功率；最后將直流電通過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成。

圖1交—直—交變壓變頻器構成圖

變頻器的控制方式指的是針對頻率、電壓、磁通和電磁轉矩等參數(shù)之間的配合關系，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控制屬于轉速開環(huán)控制方式，控制電路簡單，無需速度傳感器，負載可以是通用標準異步電動機，所以該控制方式經(jīng)濟性好、通用性強，是目前變頻器使用較多的一種控制方式[4]。根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成轉矩分量電流和磁場分量電流，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模擬量輸入、一個模擬量輸出、六個邏輯量輸入、一個安全輸入、兩個繼電器輸出和一個24V輸入端子。通信方面標配有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?shù)耐ㄓ嵔涌诳ㄟM行協(xié)議轉換，Altivar71變頻器幾乎可應用于所有工業(yè)通信環(huán)境。

3、DeviceNet總線

DeviceNet總線是美國羅克韋爾開發(fā)的，基于CANbus技術的一種現(xiàn)場總線，用于實現(xiàn)低成本、高性能的設備層的網(wǎng)絡互連。DeviceNet總線是目前世界上廣泛使用的現(xiàn)場總線之一，在工業(yè)自動化領域有較大的優(yōu)勢，它能連接到變頻器、機器人和PLC等各類工控產(chǎn)品，適用于現(xiàn)場設備（如傳動裝置、開關、I/O和人機界面等）與PLC之間的通信網(wǎng)絡，傳輸速率為125-500kbt/s，傳輸距離最大為500m，最大節(jié)點數(shù)為63個。

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)絡通信ISO標準。他定義了網(wǎng)絡協(xié)議所有的必要功能，從物流實現(xiàn)到協(xié)議以及在網(wǎng)絡上實現(xiàn)通信控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒╗5]。DeviceNet網(wǎng)絡使用主干/分支拓撲結構，兩對雙絞線分別傳輸電源和信號，細纜和粗纜分別用于分支和主干。網(wǎng)絡長度根據(jù)電纜長度和速率的不同而不同。

實際生產(chǎn)中，有很多電機的變頻調速都是采用變頻器加DeviceNet網(wǎng)絡實現(xiàn)的。DeviceNet通信卡可以使變頻器完成Modbus協(xié)議向DeviceNet協(xié)議的轉換，將ATV71連接進DeviceNet網(wǎng)絡；通過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

要實現(xiàn)羅克韋爾ControlLogix5555通過DeviceNet網(wǎng)絡與施耐德ATV71變頻器通信，首先需要對變頻器進行通信設置。所有連接到DeviceNet網(wǎng)絡的設備必須有唯一的結點地址，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，前六位撥碼按相應位權加成計算，用來設置變頻器節(jié)點地址；后兩位指定該變頻器節(jié)點的通信速率。舉例設定21號結點為變頻器地址，通信速率設為125kbit/s，其配置開關的設置如表1所示：

表1變頻器配置開關設置

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

由于在DeviceNet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫中只是標配有AB自動化產(chǎn)品的設備信息，而ATV71系列變頻器是法國施耐德電氣的產(chǎn)品，所以在軟件中雖然能掃描到相關變頻器節(jié)點，但無法識別出ATV71變頻器；又因為RSNetWorx通過EDS文件組織網(wǎng)絡，所以首先要將變頻器和相應的EDS文件進行關聯(lián)配置[4]。一般的EDS文件可以到設備廠商的官網(wǎng)下載，但是由于產(chǎn)品更新?lián)Q代等原因，有時找不到相應的EDS文件。通過在RSNetWorx中設定指定變頻器輸入輸出的通訊方式以及數(shù)據(jù)大小，我們可以手動創(chuàng)建EDS文件。由于DeviceNet卡的輸出只支持輪詢方式，所以設定輪詢通信方式，8字節(jié)輸入，8字節(jié)輸出，具體設置如圖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別出來以后，首先應對ATV71進行網(wǎng)絡組態(tài)，然后通過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，是通過通信掃描器進行控制；第二是通過開放式設備網(wǎng)絡供貨商協(xié)會交流變頻器配置文件進行控制；第三是根據(jù)Allen-Bradley變頻器配置文件進行控制[4]。由于通過通信掃描器的控制方法是與變頻器內置的控制器卡進行交互的最好方式，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；通過定義4變量8字節(jié)的輸入輸出參數(shù)，實現(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。使用通信掃描器進行配置時，應選用通信掃描器輸出組件100和通信掃描器輸入組件101，這兩個組件交換的變量都可以定義成最大的4個參數(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)設置

不同參數(shù)邏輯地址的對應字節(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)，以為單位輸出電機速度值；電機電流3204則是雙字節(jié)無符號整數(shù)，輸出的電機電流信號單位是，需要在控制器中進行相應的處理[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)絡中，識別出注冊了EDS文件的設備；在變頻器參數(shù)選項卡中，設置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置完成后，需要將ATV71變頻器的信息映射到DNB掃描適配器內存中；在羅克韋爾編程軟件RSlogix5000中通過調用1756-DNB模塊中的映射地址，對施耐德ATV71變頻器進行尋址操作。

4.2DeviceNet網(wǎng)絡地址分配

RSNetWorxforDeviceNet是用來組態(tài)設備網(wǎng)絡上的輸入輸出設備并創(chuàng)建掃描列表的軟件，組態(tài)信息和掃描列表存儲在DeviceNet通信適配器中。這里以配置ATV71變頻器為例，詳細介紹DeviceNet網(wǎng)絡的地址映射過程。

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

圖3變頻器EDS文件關聯(lián)方法

EDS文件配置完畢，打開1756-DNB模塊的屬性對話框中，選擇“Scanlist”選項卡，“AvailableDevices”下的設備即是掃描出來的當前網(wǎng)絡中所有可用的設備；將項目中需要配置的模塊單擊選中，通過“>”按鈕將模塊添加到“Scanlist”列表下，通過“<”按鈕可以將模塊從“Scanlist”列表中移除。如果需要將“AvailableDevices”列表下的所有設備全部添加到Scanlist”列表中，可以通過“>>”符號一次性全部添加，同樣的，“<<”符號可以一次性將所有設備從“Scanlist”列表中移除。編輯和配置模塊的輸入輸出地址后，點擊應用即可將模塊地址映射到相應掃描器內存中。

掃描器與設備建立連接的類型取決于設備。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)設置如圖4所示。

圖4ATV71變頻器參數(shù)設置

在圖4中，勾選了“AutomaponAdd”的方式，表明模塊的地址會在掃描器中自動映射，這樣有可能會造成適配器內存地址的浪費；當網(wǎng)絡中設備比較多時，為了更好地組織通信適配器內存，我們通常選擇手動映射地址。首先將ATV71模塊映射進入DNB掃描器，然后便可以在程序中調用相應的輸入輸出。圖5中右圖里面的6為ATV71模塊在DNB模塊中手動映射的輸入字地址，16代表ATV71模塊從DNB模塊中第6個字地址的第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代表該地址對應的是輸入數(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32位雙字。

圖5ATV71模塊映射示例

同理，對于ATV71變頻器的輸出地址，配置方式大都也采用手動設置，選中相應的變頻器，然后點擊Advanced選項，在彈出的對話框中分配輸出地址的起始字節(jié)和起始位，檢查完畢后，點擊ApplyMapping，完成地址設置。至此變頻器網(wǎng)絡地址配置完畢。

5、結束語

本配置系統(tǒng)已在工廠生產(chǎn)線投入運行，自實際運行以來，上位機對變頻器控制及時準確，對電機狀態(tài)監(jiān)視良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，使用及維護簡捷方便，各項指標均達到了設計要求，提升了企業(yè)的自動化水平。