（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线三级网络的多电机同步调速系统的研究.pdf

摘要 捅要 在纺织、印染、造纸设备中，为了进行连续加工，通常把各个加工单元组合成 联合机，各加工单元分别由一台变频器控制。：i ：艺要求加工过程中，保持各单元间 线速度成适当关系。此时，单台变频器的控制在许多场合已经不能满足生产的要求， 必须对多台变频器进行协调控制。因此变频调速技术也逐渐朝着网络化的方向发展。 本课题致力于一种完全不需要张力传感器和松紧架的交流多电机同步调速方 法。课题是通过构建现场总线三级网络实现多电机同步调速的。控制层与现场驱动 层采用基于u s s 协议( u n i v e r s a ls e r i a lp r o t o c 0 1 ) 的r s 4 8 5 网络对变频器进行控制： 管理层与控制层采用以太网通信，实现远程控制，从而实现信息化管理。此外，对 现场驱动层变频器的c a n 通信和s i m o l i n k 通信的实现做了简单研究。 本课题中，控制层的控制器为b & r 的p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) 。 触摸屏设定变频器的运行参数给p c c ，p c c 通过u s s 协议与变频器通信，控制电机， 并监控各电机的运行状态，将状态实时的显示到触摸屏上。在管理层的p c 机上， 用s a lb a s i c 开发图形界面，通过以太网与p c c 通信，对电机运行进行远程监控， 从而实现信息化管理，为课题的下一步研究打下了良好的基础。 本文选题及实施的创新点在于：将当今工控领域的最新控制技术嘲扬总线 控制技术，结合我国纺织印染行业的具体应用进行分析、研究。本课题的研究，对 于促进工控领域先进技术与我国纺织印染行业的紧密结合，并缩短国产设备与国外 同类先进设备的技术差距有着重大的意义! 关键词：现场总线u s s 协议变频器以太网 a b s t r a c t s t u d yo nm u l t i - m o t o r ss y n c h r o n o u sd r i v e ss y s t e mb a s e do n f i e l d b u st h r e e - l e v e l sn e t w o r k s a b s t r a c t i nt e x t i l e ，p r i n t i n ga n dp a p e r m a k i n ge q u i p m e n t ，i no r d e rt oc a r r yo nt h ec o n t i n u o u s t r e a t i n g ，u s u a l l ye a c hp r o c e s s i n gu n i ti sa s s e m b l e dc o m b i n em a c h i n e ，e a c hp r o c e s s i n gu n i t s e p a r a t e l yc o n t r o l sb yaf r e q u e n c yi n v e r t e r i nt h ep r o c e s s i n gp r o c e s s ，t e c h n i c sr e q u i r e m a i n t a i n st h es u i t a b l er e l a t i o n so ft h el i n es p e e db e t w e e nv a r i o u su n i t s t h e nt h es i n g l e f r e q u e n c yi n v e r t e rc o n t r o la l r e a d yh a v en o ts a t i s f i e dt h ep r o d u c t i o ni nm a n ys i t u a t i o n s w eh a v et oc a l t yo nt h eh a r m o n yc o n t r o lt om a n yf r e q u e n c yi n v e r t e gt h e r e f o r et h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g ya l s og r a d u a l l yf a c e st h en e t w o r k d i r e c t i o nt od e v e l o p t h ep r o b l e mc o n c e n t r a t e se f f o r t so no n ek i n do ft h es y n c h r om u l t i m o t o r so f e x c h a n g es p e e dr e g u l a t i o nm e t h o dn o tn e e d i n gt h et e n s i o ns e n s o ra n dt h ed e g r e eo f t i g h t n e s sr a c k i no r d e rt or e a l i z e sm u l t i m o t o r ss y n c h r o n o u sd r i v e ss y s t e m ，t h et o p i c c o n s t r u c t st h ef i e l d b u st h r e el e v e l sn e t w o r k s t h ec o n t r o ll e v e la n dt h es c e n ed r i v el e v e l u s e sr s 4 8 5n e t w o r k sb a s e do nu s sp r o t o c o lc o n t r o l l i n gf r e q u e n c yi n v e r t e r ；t h e m a n a g e m e n tl e v e la n dt h ec o n t r o ll e v e lc o m m u n i c a t i n gb ye t h e r n e ，r e a l i z el o n g d i s t a n c e c o n t r o l ，t h u sr e a l i z ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t i na d d i t i o n ，ih a v ed o n et h es i m p l e r e s e a r c ho nt h es p o to ft h ef r e q u e n c yi n v e r t e rc a n c o r r e s p o n d e n c ea n dt h es i m o l i n k c o r r e s p o n d e n c er e a l i t y i nt h i s t o p i c ，c o n t r o l l e v e l sc o n t r o l l e ri sb & rp c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e r c o n t r o l l e r ) ，t o u c ho p e r a t i o np a n e ls e t t i n gu pt h ef r e q u e n c yi n v e r t e ro p e r a t i o np a r a m e t e r t op c c p c cc o m m u n i c a t ew i t hf r e q u e n c yi n v e r t e rb yu s sp r o t o c o l ，c o n t r o lm o t o ra n d m o n i t o rm o t o r ss t a t e ，t r a n s p o r tt h es t a t ev a l u et ot o u c ho p e r a t i o np a n e l o nm a n a g e m e n t l e v e lp c ，ih a v ed e v e l o p e dg r a p h i c a li n t e r f a c ek l s i n gv i s a lb a s i c ，c o m m u n i c a t e w i t hp c cb ye t h e r n e t ，c a r r i e so nt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gt ot h em o t o rm o v e m e n t ， t h u st h er e a l i z a t i o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，h a sb u i l tt h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h et o p i c n e x ts t e po f r e s e a r c h t h ei n n o v a t i o no ft h et o p i cc h o o s i n ga n dc a r r y i n go u tl i e so nt h ef o l l o w i n gf a c tt h a t t h ei n v e s t i g a t i n g 、a n a l y z i n ga n da p p l y i n go f t h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) i sb a s e do n t h ec o m b i n i n go ft h em o s tn e w l yt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l da n dt h et e x t i l e a n dp r i n t i n gi n d u s t r yi nc h i n a ! t h ec a r r y i n go u to ft h i sa r t i c l ei ss i g n a l i t yi ne c o n o m yt o s p e e dt h ec o m b i n a t i o no ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi nc o n t r o lf i e l da n dt h et e x t i l ea n d a b s t r a c t p r i n t i n gi n d u s t r yi nc h i n a ，a n dt os h o r t e nt h et e c h n i c a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r o d u c t i o n e q u i p m e n t sm a d ei nc h i n aa n d i no t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ! x uj i a n s h u a i ( c o n t r o lt h e o r y c o n t r o le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yd i n gx u e w e n ( p r o f e s s o r ) k e y w o r d s ：f i e l d b u su s sp r o t o c o l f r e q u e n c yi n v e r t e r e t h e r n e t 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论 文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院 有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 黧篓耋专绽帅 指导老师签名：弋气力 日 期：伊7 0 3 1 3 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：承鑫建帅 日 期：7 , 口1 0 7 0 3 。1 3 5 9 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 在印染、造纸、金属材料加工等连续n t 设备中，为了进行连续加工，通常把 各个加工单元组合成联合机，各加工单元分别由一台变频器控制，工艺要求加工中 保持各单元问线速度成适当关系。此时对单台变频器的控制在许多场合已经不能满 足连续加工工艺的要求，必须对多台变频器进行协调控制。因此变频调速技术也逐 渐朝着网络化的方向发展。由于变频调速系统在工业生产中己经获得广泛应用，所 以研究此系统具有较为重大的意义。 1 2 课题来源 本次课题的直接来源为陕西省教育厅产业化项目：“基于神经网络的印染设备 无松紧架无张力传感器多电机同步调速系统”。本项目致力于一种完全不需要张力 传感器和松紧架的交流多电机同步调速方法，可以明显的简化设备，降低设备故障 率，简化操作和使用。 该项目中，本人负责软件设计工作，主要包括：采用u s s 协议实现多台变频器 的同步运行；采用t c p i p 协议的工业以太网通信程序设计，及工控机人机界面的设 计，触摸屏人机界面的设计。同时对西门子变频器的s i m o l i n k 和c a n 通信也进 行了简单的研究。 1 3 项目的实施方案 在造纸、印染等工艺过程中，保持各传动子系统之间的同步运行是尤为重要的。 这种同步，不仅仅是稳速运行时需要同步，而且在加减速的动念过程中也需要保证 线速度的一致。为此，我们采取直接速度同步法，以达到同步的目的。 首先，在不用松紧架和张力传感器的情况下，变频器都采用光电编码器作速度 反馈装置，各单元使用转速负反馈形成闭环控制，从而使得速度尽量不受负载波动 等扰动的影响。 其次，在速度误差控制在千分之几的情况下，按照对伸长率的要求，设定各单 元的线速度依次相差百分之几，其范围可调( 1 4 ) ，形成所要求的织物张力， 达到各单元同步调速的目的，不用松紧架，也不用张力传感器。 1 4 课题的创新点 本文选题及实施的创新点在于：将当今工控领域的最新控制技术现场总线 控制技术，结合我国纺织印染行业的具体应用进行分析、研究。本课题的研究，对 于促进工控领域先进技术与我国纺织印染行业的紧密结合，并缩短国产设备与国外 同类先进设备的技术差距有着重大的意义! 2 现场总线技术概述 2 现场总线技术概述 2 1 现场总线的产生 现场总线是当今自动化技术发展的热点之一被誉为自动化领域的计算机局域 网。它的出现，标志着工业自动化领域又一个新时代的丌始，并将对该领域的发展 产生重要影响。 现场总线的产生是多方面因素共同发展的结果。 首先，现场总线的产生反映了仪表发展的需要。传输信号数字化是实现数字通 信的基础。仪表的发展经历了由模拟到数字的转变，而且现在的仪表中基本上都增 加了通信接口( 如r s 4 8 5 等) ，但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性， 而对于数据链路层及其以上各通信层次，则没有统一定义，不同生产厂家生产的仪 器仪表也会由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的通信，严重束缚了 工厂底层网络的发展。智能仪表能处理多个信息和复杂计算的优越性难以充分发挥， 应用需求呼唤着具备通信功能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现。为解决 这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成丌放互联系统，于是产生了 现场总线。 其次，现场总线的产生反映了企业综合自动化、信息化的要求。为了适应越来 越激烈的市场竞争的需要，逐步形成了计算机集成制造系统( c i m s ) 。它采用系统集 成、信息集成的观点来组织工业生产，把市场、生产计划、制造过程、运用网络和 数据库技术，实现信息集成，并进一步优化生产与操作，增加产量，提高产品质量， 降低成本。这就要求设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的 通信系统，形成工厂底层网络的系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界 的信息交换。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是种全分布控制系统。它作为智 能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并 进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、 优化及管控一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数 字通信、网络为主要内容的综合技术。 2 2 现场总线的现状 a 多种总线并存 7 1 。现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 中采用了8 种协议类型，以及 其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。总线是为了满足自动 化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域 产生的总线技术一般对这一特定领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。 如f f 、p r o f i b u s p a 适用于冶金、石油、化工等流程行业的过程控制， p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 适用于加工制造业等。 2 现场总线技术概述 b 每种总线都力图扩展其应用领域，以扩张其势力范围。在定领域中已经取 得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如p r o f i b u s 在d p 的 基础上又开发出p a ，以适用于流程工业。 c 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中造成影响，以 取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术的丌放性【l l 】。如f f 基金会、p r o f i b u s 国际用户组织等。 d 每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息 息相关。 e 以太网的引入成为新的热点。以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速 增长，几乎所有远程i o 接口技术的供应商均提供一个支持t c p 1 p 协议的以太网接 口，如s i e m e n s 、b & r 等，他们销售自己的p l c 产品，但同时提供与远程i o 和基 于p c 的控制系统相连接的接口。从美国v d c 公司的调查显示2 0 0 6 年以太网的市 场占有率达到2 0 。 2 3 现场总线的特点 2 3 1 现场总线的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设 备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器 之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接【9 】。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中位于控制 室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现 场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不 依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 现场总线采用数字信号代替模拟信号，因而可以实现一对电缆上传送多个信号 ( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息等) ，同时又为多个设备提供电源， 现场设备以外不再需要模数、数模等转换部件，这样就为简化系统结构、节约硬 件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2 3 2 现场总线的技术特点 a 全数字化通信在现场总线控制系统中，现场信号都保持着数字特性，所有现 场控制设备采用全数字化通信。许多总线在通信介质、信息检验、信息纠错、重复 地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通信能快速可靠地进行。 b 开放型的互联网络开放的概念主要是指通信协议公开，也就是指对相关标 准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵 守相同标准的其他设备或系统互联。现场总线就是要致力于建立一个开放型的工厂 底层网络1 2 “。 2 现场总线技术概述 c 互操作性与互用性互操作性的含义是指来自不同制作厂商的现场设备可以 互相通信、统一组态，构成所需的控制系统；而互用性则意味不同生产厂家的性能 类似的设备可以进行互换而实现互用。由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准， 因而有条件实现这种可能。用户可以根据性能、价格选用不同厂商的产品，通过网 络对现场设备统一组态，把不同产品集成在同一个系统内，并可在相同功能的产品 之间进行互换替换，使用户具有了系统集成的主动权。 d 现场设备的智能化现场总线仪表本身具有自诊断功能，它可以处理各种参 数、运行状态及故障信息，系统可以随时掌握现场设备的运行状态，这在传统模拟 仪表中是做不到的。 e 系统结构的高度分散性数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传 统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，甚至做成集检测、运算、 控制于一体的变送控制器，把d c s 控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一 种全分布式控制系统的体系结构。 总之，开放性、分散性与数字通信是现场总线系统最显著的特征，f c s 更好地 体现了“信息集中，控制分散”的思想。首先，f c s 系统具有高度的分散性，它 可以由现场设备组成自治的控制回路，现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自 主性，可完成控制的基本功能，也使其可靠性得到提高。其次，f c s 具有开放性， 而丌放性又决定了它具有互操作性和互用性。另外，由于结构上的改变，使用f c s 可以减少大量的隔离器、端子柜、i o 接口和信号传输电缆，这可以简化安装、维 护和管理，降低系统的投资和运行成本。 2 4 现场总线的发展趋势 虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经是 一个不争的事实。随着现场总线思想的r 益深入人心，以及基于现场总线的产品和 应用的不断增多，现场总线控制系统体系结构同益清晰。具体发展趋势体现在以下 三方面。 a 现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统 这体现在位于现场的传感器执行器一级也全部实现数字化、智能化，它们彼此 之间以及与控制器之间通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控 制网络、管理网甚至互联网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车 间、工厂、公司总部之间自由流动。 b 现场总线控制系统网络结构向简单的方向发展【l o 】 早期的m a p 模型有七层组成，现在r o c k w e l l 公司提出了3 层结构自动化， f i s h e r - r o s e m o u n t 公司提出了2 层自动化，还有公司甚至提出1 层结构，由以太网 一统到底。目前比较达成共识的是3 层设备、2 层网络的3 + 2 结构：3 层设备是位 4 2 现场总线技术概述 于底层的现场设备，如传感器执行器，以及各种分布式i o 设备等；位于中间的控 制设备，如p l c 、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操 作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2 层网络是现场设备与控制设备之 间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。 c 现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术 如在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的t c p i p 协议加以太 网，操作设备一般采用工业p c 机甚至普通p c 机，控制设备一般采用标准的p l c 或者是工业控制计算机等，而控制网络就是各种现场总线的应用领域。 由此可见，新型的现场总线控制系统与传统的控制系统之问并不是完全取而代 之的关系，而是继承、融合、提高的关系。现场总线控制系统常常采用标准的p c 作操作站，p l c 作控制站，在控制站上装有现场总线的通信模块，可与现场总线的 智能设备相连，降低了系统的成本，提高了系统的开放性。 3 多电机同步调速系统的硬件结构 3 多电机同步调速系统的硬件结构 3 1 系统的总体设计 控制系统结构设计如图3 1 所示。本系统采用目前较为主流的3 层设备、2 层 网络的3 + 2 结构：3 层设备是位于底层的现场设备，如传感器执行器，以及各种分 布式i 0 设备等：位于中问的控制设备，如p l c 、工业控制计算机、专用控制器等： 位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2 层 网络是现场设备与控制设备之问的控制网，以及控制设备与操作设备之问的管理网。 本系统底层即现场驱动层采用由u s s 总线串接起来的3 台变频器带动交流异步 电动机，并采集各种开关量信号和传感器检测信号。变频器选用西门子的 m a s t e r d r i v e r6 s e 7 0 系列变频器。3 台变频器带动的异步电机要实现织物的同步运 行，同时，3 台电机所带的光电编码器用以检测织物同步运行情况。系统运行速度 可顸设和修改。 图3 1 控制系统结构图 位于中问控制层中的p c c 子站成为监控功能的集成结点，它是现场层的上一级 的网络层面。此层面由开放式的现场总线是构成。本系统中，控制子站的核心控制 6 3 多电机同步调速系统的硬什结构 单元采用贝加莱可编程控制器p c c 2 0 0 5 的模块化设备。它包含c p u 模块、通讯模块 和输入输出模块。它们完成所有数字量和模拟量的采集，根据系统功能要求，实现 相应变量的控制算法和控制策略，及时输出现场执行机构所需的各种控制信息；而 且接收人机接口( 触摸屏) 和远端管理层( p c 机或i n t e m e t 客户端) 的控制命令并 执行相应的动作，同时向人机接口或远程终端( p c 机或i m e r n e t 客户端) 传送实时 系统状态信息。在本控制系统中，核心控制单元p c c 除完成以上基本功能外，还要 完成系统控制权力的交接及判别等任务。 控制层的人机接口采用了h i t e c hp w s 3 2 6 0 系列工业级人机界面，可以设定 电机的转速和伸长律，同时显示实际的转速、频率、电压和电流等。 管理层的计算机通过以太网与p c c 进行通讯，也可以对现场的变频器进行远程 的实时监控，方便管理。当然也可以进行数据库管理等职能，但是由于时间关系， 本人只是设计了远程监控功能。 p c c 和变频器采用u s s 协议实现速差控制等功能，使系统较理想地满足印染设 备同步的工作的需求；管理层的工控机与p c c 采用工业以太网通信，进行远程监控。 这就是本系统中的2 层网络。 3 2 管理层 管理层由p c 机及远程i n t e m e t 构成。 在本系统中以太网传输介质采用1 0 b a s e r t 双绞线，借助一个1 6 口的h u b ，可 将处于办公室的p c 机和远程的i n t e r n e t 服务器，及车日j 级的p c c 控制子站直接相 联。在本系统中管理层包括一台p c 机及本地登录远程i n t e r n e t 的服务器。以太网 接口硬件采用工业以太网卡( 实验中采用常用的以太网卡) 。 3 3 控制层 控制层包括p c c 中心控制单元及触摸屏人机接口两部分。 3 3 1 可编程计算机控制器 可编程计算机控制器( p c c ) 作为一个全新的概念是由奥地利b & r 在工控界提 出的。无论是内部的硬件功能，还是外部的编程、开发环境，p c c 都比常规的可编 程逻辑控制器( p l c ) 有较大的增强和提高。 p c c 2 0 0 5 采用的是1 6 位m o t o r o l a6 8 0 0 0 处理器【4 】o 它使p l c 演变到p c c 的关键是b & r 成功地将p l c 的标准控制功能，与工业计算机的分时多任务操作系 统，集成到了单一的c p u 模块之中。因此，用户可以十分灵活地借助操作系统的调 度管理，让多个应用程序( 任务) 在一个c p u 之中并行地运行( 周期可由用户设 定) ，从而摆脱了常规p l c 上单个程序对硬件时钟的依赖。这一技术突破，对于整 个技术项目的开发、运行和维护都有十分重要的意义。 几乎所有p c c 的硬件结构中都采用了模块式结构。这一特点使真正灵活自由地 3 多电机同步调速系统的硬件结构 扩展成为可能。在p c c 上，i 0 通道和底板被设计成模块式结构，可以任意插拔： 应用程序存储器( a p m ) 也实现了模块化，用户可按照其应用程序的复杂程度，在 6 4 k 到i m 的范围内，经济灵活地选型。 为了适应变频器朝网络化方向发展的需要，各大公司相继推出了带有标准通讯 接口的通用变频器，为用户设计满足工业现场需求的控制系统带来了极大的方便。 但是实际控制系统有时会要求与不支持标准通信协议的变频器通信，普通的p l c 也 不具备与第三方产品通信的能力，造成系统集成的巨大困难【2 1 。丌发人员从底层开 发通信协议是一项复杂且工作量相当大的工作，而且系统的可靠性也难以得到保证。 基于上述问题，贝加莱2 0 0 5 系列p c c 产品除了支持标准的通信协议之外， 还向 用户提供了用于与第三方产品通信的协议开发工具帧驱动器【5 1 ，用户只需要了 解第三方产品的通信协议细节( 包括信息报文及帧格式的组成等) ，并用帧驱动器 写出与第三方产品通信协议一样的通信规则，就可方便地实现p c c 与第三方产品之 间的通信。 本文利用p c c 的帧驱动器，成功地实现了p c c 对多台变频器的网络控制。由 于贝加莱2 0 0 5 系列p c c 带有以太网接口，所以项目中以p c c 作为以太网的一个节 点，以实现网络化和自动化。f r a m ed r i y e r 是一个运行在p c c 里面的函数库，系 统的串行通信程序是用b & ra u t o m a t i o ns t u d i o 下的a u t o m a t i o nb a s i c 来丌发的， 作为完整的任务模块可以添加到任何其它复杂项目中，不仅能提高系统的可靠性， 而且可以提高代码的可重用性，缩短项目的开发周期，使项目开发人员能够方便进 行系统集成。 安全性对于一个实时控制系统来说是十分重要的要求，p c c 为此在以下各环节 上提供了保障： a 就数据传输而言，p c c 数据总线上各模块不仅经过了各种严格标准的检验， 而且p c c 的基板总线上还设计了一套完整的局部总线协议，以保证不f 确数据无法 传输。 b 为防止模块式硬件安装运行的各种意外情况出现，p c c 不仅为用户提供了除 电源和c p u 模块之外的所有模块的带电拔插功能( 硬件无损坏、软件自动处理不 死机) ，而且可以在p c c 上电时，按照实际插入底板的模块，实现系统硬件的动态 配置和出错处理。 c 借助于电池和金箔电容的保护，p c c 系统r a m 中的数据( 程序) 最长可以 确保3 年不会丢失。 与当今工业控制器的发展趋势相适应，p c c 系统硬件组态的歼放性十分彻底。 不仅实现了b & r 品牌自身各型号产品的自由扩展与互联，而且提供了对其他厂家 众多牌号产品的网络协议的支持。如a bd a t ah i g h w a y 、m o d b u s 、s i n e c l l 等，都 3 多电机同步调速系统的硬什结构 可以通过p c c 统一在标准现场总线p r o f i b u s 、c a n 等之下。另外，p c c 还提供了 通用的串行通信驱动器帧驱器( f r a m e d r i v e ) ，用以创建用户自己的协议。 3 3 2 人机接口 人机接口采用h 1 t e c h 公司的触摸屏与液晶屏合一的彩屏，规格为2 4 0 0 * 1 6 0 0 。 此面板具有防水防尘工业级设计，可适用于各种恶劣环境。有l p t 口可输出打印报 表，另有c o m i 和c o m 2 可通过r s 2 3 2 与p c 机或p c c 相联。 3 4 现场层 现场层为西门子变频器组成的r s 4 8 5 网络。西门子变频器本身带有r s 4 8 5 接口， 不需要购置额外的附件就能直接组网【2 6 1 。在以下方面具有良好的性能： a 宽的调速范围：l ：1 0 0 以上。 b 良好的低频起动特性。 c 额定电压下的全范围恒转矩输出。 d 变频器系统具有良好的静态特性和动态特性。 e 完整和快速的故障诊断、保护和报警功能。 f 具有网络通信功能。 岛变频器和其驱动的电动机噪声低。 如果希望组建其他底层网络( 女i i s i m o l i n k 或c a n 网络) 可以购买额外的功能板来 实现。 变频器的输入输出端子在进行功能设定时，要通过控制字、状态字、开关量连接 器、模拟量连接器来进行设定”1 。 a 控制字 控制字是变频器的控制命令，它通过连接器将变频器的丌关量输入端子、p m u 、 o p i s 、串行口与变频器的功能( 例如证传、反转等) 连接起来，从而能通过p m u 和输 入端子束控制变频器运行。 b 状态字 状态字是变频器的控制命令，它通过连接器将变频器的丌关量输出端子、p m u 、 o p l s 、串行口与变频器的功能( 例如故障报警、变频器运行输出信号等) 连接起来， 从而能通过p m u 和输出端子显示变频器的运行状态。 c 连接器 由于西门子6 s e 7 0 系列变频器是一种“工程型”变频器，要满足各种工程需要， 所以能实现的功能多，功能码也多，而外部端子是有限的，这样为满足某一工程需要 而使变频器传动电动机运行时，必须用连接器将某些有用的功能码与变频器的外部端 子连接起来，完成变频器的功能设定“。连接器分为源连接器和目标连接器，源连接 器相当于插座，目标连接器相当于插头。一般情况下，对于输入端子来说，目标连接 9 3 多电机同步调速系统的硬件结构 器对应变频器的端子，源连接器对应变频器的功能码；而对于输出端子来说，源连接 器对应变频器的端子，目标连接器对应变频器的功能码或变频器要输出的变量“。连 接器分为开关量连接器和模拟量连接器。变频器输入输出的功能设定，如图3 2 所示。 开关量输入端子l 控制字 p m uo p l s l 一 操作面板 l 状态字 h 一 模拟量输入端子 n l u0 p i s 操作面板 设定值 实际值 变频器 f 开关鼙连接器 b x x x x ： 功能码 i 模拟量连接器 k x x x x x x x f f d 3 2 变频器输入输山的功能设定 ( 1 ) 开关量连接器( b x x x x ) 每一个开关量连接器对应变频器的一个开关量端子( 例如开关量端子l 、开关量 端子2 等) ，或对应一个中间变量。西门子6 s e 7 0 系列变频器的开关量连接器的范围为 b 0 0 0 0 一b 8 9 1 5 。 ( 2 ) 模拟量连接器( k x x x x 、k k x x x x ) 每一个模拟量连接器对应变频器的一个模拟量端子( 例如频率输出端子、模拟量 输入端子1 、电压输出端子等) “”，或对应一个中间变量。其中，k x x x x 表示1 6 位模拟 量，k k x x x x 表示3 2 位模拟量。本系列变频器的范围为k k k 0 0 0 0 一k k k 8 0 4 5 。 变频器的功能一般是通过功能码来进行设定的“。本系列变频器的功能码用p x x x 和r x x x 表示。其中p x x x 是用于设定的功能码，e x x x 是用于显示的功能码。例如，p 5 5 4 ： 表示选择读入o n o f f 指令( 控制字l 的第0 位) 开关量的b i c o 参数：r 0 0 2 ：表示显示速 度实际值的只读参数。由于变频器的功能码多，而其输入输出端子有限，所以需要用 开关量连接器b x x x x 和模拟量连接器k k k x x x x 来进行选择、设定输入输出端子的功能。 1 0 4 基y - u s s 协议的控制层软什设计 4 基于u s s 协议的控制层软件设计 4 1p c c 的软体结构 p c c 的软件可分为系统软件和应用软件两大类。 p c c 的系统软件一般可分为编程器的系统软件和p c c 的操作系统这两部分。 各种编程语言编写的程序变为p c c 中央处理器能接受的机器信息，需通过编译才能 完成。这种编译程序构成了编程器的系统软件。它存放在编程器的r o m 存储器中。 操作系统一般存储在p c c 系统的e p r o m 存储器中，其主要任务是解读用户程序， 管理整个系统。 p c c 的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的应用程序，用于完成特定 的控制任务。 4 1 1p c c 的分时多任务操作系统 同其他品牌p l c 相比，p c c 的最大特点在于它的分时多任务的操作系统。分时 多任务操作系统源自于大型计算机，如u n i x 机，它将整个操作界面分成数个分别具 有不同优先权的任务等级( t a s kc l a s s ) 。其中优先权高的任务等级，有着较短的 循环扫描周期，而且每个任务等级可包括多个具体任务，在这些任务中间可再细分 其优先权的高低【2 8 1 。在这种操作系统的管理下，优先权高的任务等级总是被先执行， 剩余的时间罩执行优先权较低的任务等级。一个分时多任务操作系统可以将重要任 务的等级定义的高一些，如调节任务( 由用户自定义) ，例外任务( 由条件生成的中 断触发) ，中断任务( 由硬件产生的中断触发) ；而一般的任务其任务等级低一些， 如报警处理任务、结果处理任务等。这样整个控制系统便得到了优化，具有较好的 实时性。另外，多任务应用程序可以很方便地由多人分工合作完成，并行操作，非 常有利于结构化程序设计的实现，大大节省 开发时间，提高工作效率。 贝加莱p c c 模块化的分时多任务操作 系统( 简称p c c s w ) 由操作系统内核和p c c 专用软件包组成，如图4 1 所示。操作系统 内核存在于p c c 的r o m 、e p r o m 或p r o m 中，对用户不透明；p c c 专用软件包中包括 系统管理器、功能库、系统任务、中断任务、 通信软件、标准任务层和高速任务层等。用 户真j 下需要了解的是如何使用p c c 专用软 件包，来完成自己的应用程序。 图4 - 1p c c 操作系统 4 1 2 操作系统内核 操作系统具有多任务处理能力，能完成多任务间的处理及应用程序管理等最基 4 基于u s s 协议的控制层软件设计 本功能。 4 1 3p c c 专用软件包 a 系统管理器 根据操作系统时钟，每i o m s 执行一次。任务是监视各任务层循环时间、运行 系统校验、为每个任务层设置输入映像、管理底板在线通信。 b 标准任务层 标准任务层由系统管理器来协调运行，主要功能是控制任务层i o 映像。当调 用完一个任务层所用任务后，调配输出映像。 c 高速任务层 高速任务层由硬件定时器激发，其连贯性和精确性更好。因为硬件触发比操作 系统的切换更准确，而操作系统会有一些时间上的偏差。其主要功能是校验高速层 i o 映像、根据所需调用本层所用任务、输入输出处理。2 0 0 5 系列c p u 只提供一个 高速任务层t i m e r # 1 ，循环时间可从l m s 到2 0 m s ( 步长0 5 m s ) 。高速任务层的优先 级高于标准任务层。 d 通信软件 通信软件由系统管理器或通信中断激发。其功能是b & r 模块上载和下载、过 程变量读写、多任务处理( 创建、终止、恢复) 、各种通信协议的驱动( c a n 、4 8 5 4 2 2 、 2 3 2 等) 。 e 功能库 功能库可被系统或应用程序直接调用，如访问硬件、系统、模块功能库：数学 运算功能库等。了解各种功能库是编写应用程序的基础。 f 系统任务 由系统或应用程序设置，系统任务是固件扩展，必须由用户下载到p c c 中。 4 1 - 4 应用程序 应用程序分为两类：循环任务和非循环任务。循环任务在每一个设定的时间内 被执行一次，非循环任务在运行时没有时白j 上的校验，可随时被循环任务中断。它 们只有在操作系统和所有的循环任务都不需要c p u 时问时才被执行。 4 2p c c 应用程序开发平台 s 4 2 1 概述 p c c 的控制能力是由编程实现的。编程就是用一定的语言( 或称程序表达方式) 把控制任务描述出来，并送到p c c 中去执行。 a s ( a u t o m a t i o ns t u d i o ) 是奥地利贝加莱公司推出的，支持用户丌发p c c 应用 程序的软件包。它提供的p c c 编程语言非常丰富，有梯形图l a d ，指令表i l 和高 级编程语言：结构文本s t ( s t r u c t u r e dt e x t ) 顺序功能图s f c ( s e q u e n t i a lf u n c t i o n 4 基于u s s 协议的控制层软什设计 c h a r t ) ，a u t o m a t i o n b a s i c ( a b ) ，a n s ic 等，用户可以选择一种语言编程，若需要， 也可以混合使用几种编程【1 6 】。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程 工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改都很方便。 4 2 2a s 编程系统介绍 a 项目配置 任何p c c 应用程