摘 要：本文介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)通信變頻器的設(shè)計(jì)思想，在分析網(wǎng)絡(luò)變頻器的通信機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立了一種基于數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級分類的工業(yè)以太網(wǎng)通信控制策略。系統(tǒng)利用上位機(jī)PID算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳遞的水位信號計(jì)算變頻器輸出頻率，從而控制雙容水箱水位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過這種工業(yè)以太網(wǎng)通信可有效地控制變頻器進(jìn)行雙容水箱水位控制。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制;工業(yè)以太網(wǎng);變頻器;DSP 1 引言 　　變頻器的發(fā)展十分迅速，在國民經(jīng)濟(jì)各部門得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的變頻器絕大部分采用的通信方式為RS232/RS485。這些通信方式具有通信可靠性不高、通信速率慢、通信數(shù)據(jù)容量小、通信距離短、不易組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)性不高等缺點(diǎn)，無法滿足實(shí)際控制需求[1]。商用以太網(wǎng)具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其傳輸?shù)拇_定性問題和實(shí)時(shí)性問題使其不適用于工業(yè)現(xiàn)場[2]。 　　針對這種現(xiàn)象，本文提出一種基于數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級分類的工業(yè)以太網(wǎng)通信機(jī)制，并將其應(yīng)用到自主研發(fā)的變頻器上。通過這種工業(yè)以太網(wǎng)對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對雙容水箱的PID水位控制。 2 工業(yè)以太網(wǎng)變頻器的設(shè)計(jì) 　　2.1 變頻器的網(wǎng)絡(luò)通信原理 　　傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和IEEE802.3的CSMA/CD協(xié)議在實(shí)時(shí)性要求極高的工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用，主要的問題在于很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲筮t滯要求。 　　本文針對這個(gè)問題構(gòu)建了一個(gè)拓?fù)湫凸I(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將變頻器置于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行通信控制，如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)借鑒了現(xiàn)場總線的一些優(yōu)點(diǎn)，來改善以太網(wǎng)傳輸控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性問題。系統(tǒng)用網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器作為主控節(jié)點(diǎn)，變頻器和其他節(jié)點(diǎn)都在它的控制下進(jìn)行通訊。采用主從式的通訊方式，可以有效地避免沖突的發(fā)生。同時(shí)，對于不同的數(shù)據(jù)，要按照它的功能和可靠性要求的不同進(jìn)行分類，對各種不同的數(shù)據(jù)分別處理，既保證控制信息傳輸?shù)目煽啃?，又保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 　　本文將控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分為三類：（1）實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。賦予這類數(shù)據(jù)優(yōu)先級為P=1，如控制信號（2）實(shí)時(shí)，但不要求可靠的數(shù)據(jù),如多媒體數(shù)據(jù)。賦予這類數(shù)據(jù)優(yōu)先級為P=2。必要時(shí)，可以丟棄一些數(shù)據(jù)幀。（3）不要求實(shí)時(shí)也不要求可靠的數(shù)據(jù)，如上傳的PLC程序。賦予這類數(shù)據(jù)優(yōu)先級為P=3。 　　這幾類數(shù)據(jù)包具體通訊策略如下： 　?。?）對于P=1的數(shù)據(jù)包，不管隊(duì)列中有多少個(gè)未發(fā)數(shù)據(jù)，都要確保發(fā)送完畢，即使周期超過發(fā)送周期T也要如此。 　　（2）對于P=2的數(shù)據(jù)包，只有在P=1的數(shù)據(jù)發(fā)送完全的情況下才能啟動(dòng)發(fā)送。 　　（3）對于P=3的數(shù)據(jù)包，只有在P=2的數(shù)據(jù)發(fā)送完全的情況下才能啟動(dòng)發(fā)送。 　?。?）每一次發(fā)送都由網(wǎng)絡(luò)樞紐控制器協(xié)調(diào)，向指定的變頻器發(fā)送指令，允許其發(fā)送。指定的設(shè)備收到指令，啟動(dòng)發(fā)送。由于共享型網(wǎng)絡(luò)的廣播特性，發(fā)送的同時(shí)也通知控制器，本主機(jī)已交出發(fā)送權(quán)。 　?。?）為了保證各個(gè)站點(diǎn)的公平性，除了P=1的優(yōu)先級外，其他優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送總是從上一個(gè)周期最后發(fā)送數(shù)據(jù)的下一個(gè)站點(diǎn)開始。 　?。?）對于優(yōu)先級P=1的數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)可發(fā)，也要發(fā)送一個(gè)64字節(jié)的空白幀，通知控制器，自己已經(jīng)讓出發(fā)送權(quán)。 　　網(wǎng)絡(luò)通信的硬件主要由主控芯片TMS320F2812和網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS構(gòu)成。RTL8019AS的中斷與DSP的INT1相連，所以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能的程序主要在INT1中斷程序中完成。 　　2.2 變頻功能的實(shí)現(xiàn) 　　系統(tǒng)使用美國德州儀器公司（TI）的DSP芯片TMS320F2182作為主控芯片，與智能功率模塊一起實(shí)現(xiàn)交-直-交變頻。變頻主回路由整流電路、濾波電路、智能功率模塊（IPM）和采樣電路構(gòu)成。整流電路由二極管組成三相橋式電路，將工頻供電電源變成直流電壓，同時(shí)采用直流電抗和電容吸收脈動(dòng)電壓。經(jīng)過整流濾波后的直流電壓直接供給IPM模塊進(jìn)行逆變[3]。IPM模塊內(nèi)部含有門極驅(qū)動(dòng)控制，故障檢測和多種保護(hù)電路。內(nèi)置電流傳感器來監(jiān)測IGBT的主電路，內(nèi)部故障保護(hù)電路檢測過流、短路、過熱和控制電源欠壓等故障，用于防止因系統(tǒng)相互干擾或者過載等發(fā)生時(shí)造成功率模塊的損壞。DSP使用SPWM法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)過高速光耦隔離后驅(qū)動(dòng)IGBT。 　　系統(tǒng)通過設(shè)置TMS320F2182的事件管理器EVA模塊中的比較單元和死區(qū)單元來產(chǎn)生PWM信號[4]。具體實(shí)現(xiàn)如下： 　?。?）設(shè)置比較單元受比較控制寄存器和比較方式控制寄存器，從而確定比較輸出允許、比較值和方式寄存器的重載條件、空間矢量PWM的使用、PWM引腳輸出方式; 　?。?）對定時(shí)器1計(jì)數(shù)器T1CNT賦初值，并對周期寄存器T1PR，定時(shí)器1控制寄存器T1CON正確設(shè)置; 　?。?）對死區(qū)控制寄存器DBTCONA進(jìn)行正確的設(shè)置。 　　當(dāng)比較單元的定時(shí)器計(jì)數(shù)值與比較寄存器中比較值相等時(shí)，就會在該比較單元的兩個(gè)PWM引腳上產(chǎn)生跳變，并經(jīng)過1個(gè)CUP時(shí)鐘后發(fā)出比較中斷申請。將定時(shí)器1設(shè)置為連續(xù)增計(jì)數(shù)方式時(shí)，產(chǎn)生非對稱PWM波形?？梢?，改變比較值可以改變PWM波的占空比，改變周期值可以改變PWM波的頻率。 　　同時(shí)，采樣電路采用F2812的8路12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對外部輸入模擬量信號進(jìn)行A/D采樣[5]。 3 網(wǎng)絡(luò)變頻器的雙容水箱水位控制試驗(yàn) 　　3.1 系統(tǒng)分析 　　本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)上位機(jī)軟件對變頻器參數(shù)及水箱水位進(jìn)行監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)變頻器運(yùn)行時(shí)，將頻率和水位信號通過系統(tǒng)建立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)通過上位機(jī)軟件設(shè)定預(yù)定水位H，以變頻器輸出頻率f和一號水箱水位信號h為輸入輸出參數(shù)，以雙容水箱為控制對象進(jìn)行系統(tǒng)建模。系統(tǒng)使用PID算法對雙容水箱的模型進(jìn)行計(jì)算，得出系統(tǒng)的輸出信號，即變頻器輸出頻率，并通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)變頻器，從而控制水箱水位。 　　試驗(yàn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示： 　　對于系統(tǒng)中的第一級水箱，我們可推導(dǎo)出如下的關(guān)系： 　　 　　3.2 PID水位控制實(shí)驗(yàn) 　　系統(tǒng)通過上位機(jī)軟件將水箱的控制水位設(shè)定在25cm，并設(shè)置參數(shù)KP=2.0,KI=0.3,KD=0.5。上位機(jī)由PID算法得出變頻器輸出頻率值，并將其通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)絡(luò)變頻器。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)變頻器對水位信號進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果和頻率信號一起通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)。根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可得到水位曲線。 　　由上述曲線可以看出，工業(yè)以太網(wǎng)變頻器可通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水位控制，其效果良好。水位曲線中的紋波是由于水箱中的渦流對水位傳感器的干擾所致，實(shí)際水位基本保持不變。 4 結(jié)束語 　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線可得出KP=2.0，KI=0.3，KD=0.5時(shí)，系統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)的水位和頻率曲線。此實(shí)驗(yàn)的水位曲線體現(xiàn)了此系統(tǒng)具有一階特性，達(dá)到穩(wěn)定后水位和頻率的波動(dòng)都比較小，系統(tǒng)的控制特性比較理想。 　　在實(shí)驗(yàn)的過程中，工業(yè)以太網(wǎng)通信功能使變頻器的能夠有效地實(shí)現(xiàn)參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷打下基礎(chǔ)。同理，網(wǎng)絡(luò)變頻器還可以應(yīng)用于其它高級控制規(guī)律的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，在過程控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的、可進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)通信的變頻器。通過這種基于數(shù)據(jù)分類的工業(yè)以太網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)變頻器可接收網(wǎng)絡(luò)指令，并上傳相關(guān)參數(shù)。 　　2、系統(tǒng)對雙容水箱進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過上位機(jī)軟件接收網(wǎng)絡(luò)變頻器傳輸?shù)乃恍盘枺褂肞ID控制算法計(jì)算出控制系統(tǒng)的輸出信號，并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)變頻器，從而實(shí)現(xiàn)雙容水箱的水位控制。 　　本文研究成果產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)50萬元，在高級過程控制系統(tǒng)中會有更深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義和應(yīng)用價(jià)值。本文數(shù)據(jù)的來源均來自研發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。研究的方法采用雙容水箱水位控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)平臺，進(jìn)行系統(tǒng)的性能參數(shù)測試，并得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]孟令東,曾志新,李勇 等.基于DSP交流伺服電機(jī)控制的制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，（14）：153-155. 　　[2]Henning C.Why industrial Ethernet[J]. 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