第九章网络化运动控制系统

1、华南理工大学第九章第九章 网络化运动控制系统网络化运动控制系统华南理工大学内容提要内容提要p数字化调速系统数字化调速系统p数字位置随动系统数字位置随动系统p网络化运动控制系统网络化运动控制系统 华南理工大学引引 言言随着微电子技术、传感技术、通信技术、计算机技术的不断发展和进步，运动控制系统已经从以往的单机控制发展到多机和网络控制。特别是现场总线技术的发展使得网络化运动控制系统更易于实现，网络化运动控制系统具有功能强、集成度高、模块化结构、体积小、数据传输快、可靠等优点，目前已广泛用于汽车、电梯、大型工业装备及生产线等领域。 华南理工大学9.1 9.1 数字化调速系统数字化调速系统数字化调速系

2、统指的是用微机处理器代替以往的模拟调速器的系统。计算机信号 采 集 转 换 隔 离放 大电 机驱动D/A 数字化调速系统结构框图 优点:n体积小n实现方便n可以实现一般的PID控制n编程实现复杂的矢量控制、非线性鲁棒控制、模糊控制等方法华南理工大学 给 定 斜波 发 生器 频率限 制 速 度 控 制 力 矩 控 制 电 流控 制西门子变频调速系统的性能组合例子西门子变频调速系统的性能组合例子该调速系统采用矢量控制方法，用户可以通过模块选择给定转速、起停特性（斜波发生器）、运行转速（转速控制）以及控制电机电流允许的最大频率和力矩。在许多场合对起停特性都有一定的要求，例如电梯的起动和停止时间是不同

3、的，过快可能造成故障或人员伤亡，过慢会增加电梯的运行时间，降低它的效率。 华南理工大学9.2 9.2 数字位置随动系统数字位置随动系统p位置随动系统位置随动系统 能使被控装置准确无误地跟随并复现给定量，这类控制系统称为位置随动系统 。p数字位置随动系统数字位置随动系统采用了数字化技术的位置随动系统称为数字位置随动系统华南理工大学数字随动系统的构成数字随动系统的构成 光 码盘 输 出位 置给定电 机位 置转 换 器速 度 转 换 器隔 离驱 动D/A速 度调 节器位 置调 节器 计 算 机 位 置给 定 + _+ _多了位置多了位置控制环控制环功能：功能：通过电机上的光码盘检测到运动位置，再与给

4、定通过电机上的光码盘检测到运动位置，再与给定位置比较计算出它们的偏差。位置比较计算出它们的偏差。通过位置调节器（如通过位置调节器（如PID）输出作为电机的速度）输出作为电机的速度给定量。给定量。华南理工大学9.3 9.3 网络化运动控制系统网络化运动控制系统p网络运动控制系统的结构p现场总线 PROFIBUS现场总线 CAN现场总线概述 华南理工大学在现代化的生产过程中，所有控制设备在现代化的生产过程中，所有控制设备都是以网络形式连接的，特别是现场总线、工都是以网络形式连接的，特别是现场总线、工业以太网、互联网技术的发展与应用，使设备业以太网、互联网技术的发展与应用，使设备的控制和通讯变得更方

5、便，可以实现远距离的的控制和通讯变得更方便，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。调速及控制参数的设定等。运动控制系统的发展方向运动控制系统的发展方向: 多电机及设备网络连接和控制华南理工大学9.3.19.3.1网络运动控制系统的结构网络运动控制系统的结构华南理工大学控制设备层控制设备层功能是直接控制交直流电机的变频器、矢量控制器、伺服控制器、直流调速装置，以及PLC控制器、可编程调节器、传感器等。现场总线层现场总线层功能是将所有的设备连接起来，通过总线协议进行设备之间的通讯，实现对设备的控制和数据交换，设备控制方式可以采用主从站方式和触摸屏设定及人工控制等方式。工业以太网层工业以太网层 该

6、层主要完成的工作是任务控制、调度和管理，还可以与上层公司或总部进行数据传输，接受任务和上报生产状况 。华南理工大学9.3.2 9.3.2 现场总线现场总线现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的新技术。它是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。现场总线负责设备的通信与控制，它的数据传输速度和可靠性决定了网络运动控制系统的有效性，是整个系统的关键部分。因此，现场总线的研究与开发是网络运动控制系统的应用的重要工作。 华南理工大学现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通

7、信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。 华南理工大学现场总线的种类主要有现场总线的种类主要有基金会现场总线基金会现场总线FFProfiBusWorldFIPControlNet/DeviveNetCANHART 重点介绍基于重点介绍基于PROFIBUSDP现场总线现场总线和和CAN总线及其在网络运动控制系统中的应用总线及其在

8、网络运动控制系统中的应用 华南理工大学9.3.3 PROFIBUS9.3.3 PROFIBUS现场总线现场总线pPROFIBUS现场总线概述现场总线概述 p基于基于PROFIBUSDP现场总线的多机调速系统现场总线的多机调速系统华南理工大学9.3.3.1 PROFIBUS9.3.3.1 PROFIBUS现场总线概述现场总线概述PROFIBUS现场总线最早是由德国西门子公司开发的专用总线，公开后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线。PROFIBUS现场总线系列p PROFIBUSDPDP型用于分布式外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用 p PROFIBU

9、S-FMSFMS意为现场信息规范，PROFIBUSFMS适用于纺织，楼宇自动化，可编程控制器，低压开关等 p PROFIBUSPA用于工程自动化的总线 华南理工大学主 站从 站从 站从 站从 站从 站主 站主 站PROFIBUSDP的总线结构PROFIBUSDP总线最多可以连结127个站，用双绞线传输的最大距离为9km，用玻璃光纤传输的最大距离可以达到90km，传输波特率为9.6K-12M bit/s。 PROFIBUSDP具有传输速度快、连接方便等优点，特别适用于多机调速系统。DP型用于分布式外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。华南理工大学9.3.3.2 9.3.3.2 基于基

10、于PROFIBUSPROFIBUSDPDP现场总现场总线的多机调速系统线的多机调速系统 可 编 程 控 制器S 7 4 1 6 2 D P驱 动 n驱 动 2驱 动 1P R O F I B U S - D PM1M2M3H M I华南理工大学9.3.4 CAN9.3.4 CAN现场总线及在网络运动控制现场总线及在网络运动控制系统中的应用系统中的应用 u9.3.4.1 CAN现场总线概述现场总线概述u9.3.4.2 CAN现场总线在电梯群控中的应用现场总线在电梯群控中的应用华南理工大学9.3.4.1 CAN9.3.4.1 CAN现场总线概述现场总线概述CAN（Controller Area N

11、etwork）现场总线最初是由德国的BOSCH汽车公司为汽车检测和控制系统设计的。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多的优良特点，其应用已经不再局限于汽车行业而是逐步走向过程控制、机械工业、机器人、数控机床等等，且已经形成了国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN是一个多主机局部网，它的串行通信链路采用一条多个单元均可连接的总线。理论上，单元数目可以无限增加，实际上受到延迟时间和总线电气负载的限制，单元数目只能控制在百余个。总线可以用多种方法实现，如差分驱动平衡双绞线、单线（加地线）、光纤等。 华南理工大学一个典型的一个典型的CANCAN总线智能

12、节点总线智能节点 华南理工大学9.3.4.2 CAN9.3.4.2 CAN现场总线在电梯群控中的现场总线在电梯群控中的应用应用基于CAN总线的电梯控制系统门厅呼梯信号、轿厢目的楼层登记信号等采用的门厅呼梯信号、轿厢目的楼层登记信号等采用的是是CAN现场总线通信方式。现场总线通信方式。 安全回路、变频器和门机系统等重要的、时间延迟容忍度较小的信号是采用并行I/O直接连接到系统控制主板的方式。华南理工大学电梯控制系统电梯控制系统CANCAN总线连接方式总线连接方式华南理工大学单台电梯虽然能完成运送乘客的任务，但是不能满足大客流量的需求。较高层的建筑物都是几台电梯同时工作，为了提高这些电梯的效率，减

13、少乘客等待的时间，必须对这些电梯进行协调控制，即构成网络状态的电梯群控系统。华南理工大学基于基于CANCAN总线的电梯群控制的系统总线的电梯群控制的系统结构结构 前面所讲的基于CAN总线的电梯控制系统增加群控制接口群控制程序接受群控制程序接受到各单梯数据后，通过到各单梯数据后，通过分析、计算，决定出针分析、计算，决定出针对每个呼梯信号的最适对每个呼梯信号的最适宜的电梯进行相应的动宜的电梯进行相应的动作。作。 电梯群控制的目的是寻求优化控制策略，利用网络化运动控制的优势，优化调度多部电梯以提高电梯的运行效率和服务质量。 华南理工大学在我们介绍的电梯群控系统中，采用的是2级CAN总线通信网络。如果所有电梯群内电梯呼梯盒连成一个大网络，在网络内的通讯量将大大增加，很有可能导致响应延迟，因此将每台电梯内部呼梯盒间构成一个完整的CAN网络，在不采用群控技术