基于Devicenet设备网电机控制系统的智能节点设计.docx
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基于Devicenet设备网电机控制系统的智能节点设计
辽宁工业大学
工业控制网络课程设计（论文）
题目：
基于Devicenet设备网电机控制系统的智能节点设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化101班
学号：
100302020
学生姓名：
张志松
指导教师：
（签字）
起止时间：
2013.12.18～2013.12.27
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
100302020
学生姓名
张志松
专业班级
自动化101班
课程设计（论文）题目
基于Devicenet设备网电机控制系统的智能节点设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
设计要求完成一个基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统的智能节点硬件组态和软件组态。
使用工业控制网络实验室的网络控制平台建立一个基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统。
设计任务及要求
1、基于DeviceNet总线的智能节点硬件设计，包括介质、模块等选择。
2、画出基于DeviceNet总线的智能节点的结构图。
3、基于DeviceNet总线的智能节点的硬件组态及软件组态。
4、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。
5、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
1、传输速率125kbps；
2、控制多台电动机的启动与停止；
3、变频器频率范围：
0-60H。
进度计划
1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）
2、对系统功能进行分析（1天）
3、系统硬件电路设计（3天）
4、系统软件设计（2天）
5、撰写、打印设计说明书（2天）
6、对设计任务进行答辩（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
本课程设计主要设计了基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统的智能节点硬件组态和软件组态。
利用Netlinx网络及相关部件构建一个基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统，以达到对变频器频率的设定，从而控制电动机的转速。
本文选取Netlinx网络中的设备网DeviceNet对电动机进行控制，DeviceNet传输速率为125Kbps,满足了控制的实时性要求。
通过RSLogix5000软件进行硬件组态和软件组态，在软件组态中编制梯形图程序，控制PLC的运行和输出，利用PLC控制变频器，改变变频器的输出频率，则电动机的转速也相应改变，实现了电动机变频调速的要求。
关键词：
DeviceNet设备网；电机控制系统；PLC
目录
第1章绪论1
第2章课程设计总体方案2
2.1DeviceNet总线理论要点2
2.2DeviceNet的技术特点3
2.3DeviceNet结点对象模型3
2.4DeviceNet智能接口设计的一般步骤4
2.5变频调速的介绍4
2.6方案的确定与设计5
第3章系统的硬件介绍6
3.1Logix5561控制器6
3.2DeviceNet电缆结构6
3.3变频器PowerFlex407
3.4YSJ6324三相交流异步电动机9
第4章系统的软件设计10
4.1系统软件流程图的设计10
4.2软件功能描述11
4.3DeviceNet网络通信的配置11
4.4调试曲线16
第5章课程设计总结17
参考文献18
附录Ⅰ19
第1章绪论
随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术日趋完善。
变频调速器用于交流电动机转速的调节，是交流电动机最有前途，最理想的调速方案，由变频器和可编程控制器以及现场总线组成的控制系统，具有较高的控制精度及较宽的调速范围，便于使用，以及实现自动控制及远程控制等功能。
本次课程设计采用了DeviceNet网络作为控制网络，它具有以下特点：
DeviceNet将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
同时，DeviceNet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。
DeviceNet协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。
因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。
这样，DeviceNet既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。
Devicenet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。
DeviceNet不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能。
该功能在传统的I/O上是很难实现的。
Devicenet是一个开放的网络标准。
规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。
任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。
Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。
DeviceNet的主要特点是：
短帧传输，每帧的最大数据为8个字节；无破坏性的逐位仲裁技术；网络最多可连接64个节点；数据传输波特率为128kb/s、256kb/s、512kb/s；点对点、多主或主/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。
正因如此，利用DeviceNet和变频器组成的系统除了具有卓越的调速性能外，更是企业技术改造和产品更新换代的调速装置，自20世纪80年代被引进以来，这种调速系统得到了广泛的应用。
在电力、纺织、建材、石油、化工、冶金、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程（中央空调、供水、水处理、电梯等）中都发挥着重要的作用。
第2章课程设计总体方案
2.1DeviceNet总线理论要点
DeviceNet协议是基于CAN总线的技术，而CAN总线只采用了ISO/OSI网络模型的物理层和数据链路层，DeviceNet在CAN的基础上增加了应用层，扩充了物理层的连接单元接口规范、媒体连接和媒体规范。
DeviceNet是一种低成本的通信总线。
它将工业设备（如限位开关、光电传感器、I/O设备、马达启动器、过程传感器、变频器、面板显示器和操作员接口等）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。
直接互联性改善了设备间的通信，同时有提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
DeviceNet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，又减少了硬接线和安装工业自动化设备的成本和时间。
典型DeviceNet控制系统结构如图2.1所示。
图2.1DeviceNet控制系统结构图
2.2DeviceNet的技术特点
DeviceNet在允许多个复杂设备互联接的同时，支持简单设备的互换性。
除了可读取离散设备的状态外，DeviceNet还可以报告马达启动器内的湿度、读取负载电流、改变驱动器加减速速率或统计前一小时通过传输带传输的包裹计数，DeviceNet总线技术特点见表2.1。
表2.1DeviceNet的主要技术特点
网络大小
最多64个结点
网络长度
可选的端对端网络距离随网络传输速率而变化
传输速率
距离
125kbps
500m（1640ft.）
250kbps
250m（820ft.）
500kbps
100m（328ft.）
网络模型
生产者/消费者模型
数据包
0～8字节
总线拓扑结构
干线/分支
总线寻址
点到点、多点传送、多主站和主/从
系统特性
支持设备的热插拔，无需网络断电
2.3DeviceNet结点对象模型
DeviceNet采用对象模型的方法，将每个总线设备视为一个对象集合体的结点。
这些结点的总线行为表现是其内部对象之间相互作用的结果。
DeviceNet协议使用对象的概念，抽象地描述总线产品内部的某个特定功能模块。
为了完整地体现一个特定模块具有的特性、功能和运行方式，DeviceNet协议分别采用属性、服务和行为对一个对象加以描述。
图2.2描述了DeviceNet结点对象之间的关系。
图2.2节点对象模型
2.4DeviceNet智能接口设计的一般步骤
（1）确定为哪种类型的设备设计DeviceNet接口，并在DeviceNet规范中找到与其对应的设备描述。
（2）进行DeviceNet接口的硬件设计。
（3）根据DeviceNet规范进行软件设计和实现。
（4）决定设备的配置并编写设备的EDS文件。
（5）完成DeviceNet一致性声明，并进行一致性测试。
2.5变频调速的介绍
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
其特点：
效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难，本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
2.6方案的确定与设计
综上所述的调速方案及DeviceNet的特点和本课程设计的要求，选择使用变频调速的方法设计交流调速控制系统。
该系统效率高，调速范围大，特性硬，精度高，调速过程中没有附加损耗，应用范围广，可用于一些机加工类的场合，部分风机泵类的调速系统，系统的结构框图如2.3所示,。
图2.3系统结构框图
该系统根据调速要求对PLC进行编程，从而达到对电动机转速的控制，本课程设计是基于辽宁工业大学Rockwell自动化工业控制网络实验室中的DeviceNet（设备网）进行系统的组建，其中PLC为ControlLogix5561,为系统的核心部件；变频器为A-B公司的PowerFlex40变频器；电动机的型号为上海金陵雷戈勃劳伊特电机厂的YSJ6324。
第3章系统的硬件介绍
3.1Logix5561控制器
美国罗尔韦尔自动化公司的可编程控制器设备以其优良的性能广泛应用于工业控制的各个领域。
本次设计采用Logix5561处理器是安装在1756I/O框架上的高速单槽内。
ControlLogix控制器采用模块化的设计，无源数据总线背板式的结构，包括处理器在内所有单元，具有紧凑的、经济的产品提供离散控制、驱动控制、运动控制、过程控制、安全控制、便利的通讯连接、艺术的输入输出功能，根据功能设计成各种模块，处理器模块Logix5561不仅包括数字量，模拟量这些传统的信号模块，还有各种网络通信模块、专用的运动伺服控制模块及相应的运动控制指令，为工业控制提供一种非常灵活且完整的控制方案。
图3.1controlLogix控制器
3.2DeviceNet电缆结构
电缆共有5根线：
电源线（
和
）、信号线（CANH和CANL）及屏蔽电缆，如图3.2所示。
图3.2DeviceNet电缆结构
3.3变频器PowerFlex40
变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。
变频器最早的形式是用旋转变频发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机，主要是异步电动机进行调速。
随着电力电子半导体器件的发展，静止式变频电源成为变频器的主要形式。
为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。
按主回路电路结构，变频器有交-交变频器和交-直-交变频器两种结构形式。
交-交变频器无中间直流环节，直接将工频交流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。
整个系统由两组整流器组成，一组为正组整流器，一组为反组整流器，控制系统按照负载电流的极性，交替控制两组反向并联的整流器，使之轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压，交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。
交-直-交变频器，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。
PowerFlex40的设计结合了应用灵活和控制功能强的优点，以无速度传感器矢量控制和外置I/O能力为特征。
它具有以下几方面的特性。
（1）性能方面。
无速度传感器矢量控制在很宽的速度范围内扩展了高转矩输出，并适应于不同的电机特性：
可变的PWM允许变频器在低频下输出更大的电流；
数字PID功能提高了应用的灵活性；
计时器、计数器、基本逻辑和步序逻辑功能可减少硬件设计成本并简化控制方案；
计数器功能：
由变频器控制的继电器或光电耦合输出执行计时功能，计时器通过激活一个被编辑为“计时器启动”的数字输入来启动；
基本逻辑：
作为“逻辑输入”编程的数字输入，它的状态控制继电器或光电耦合输出，执行基本的布尔逻辑；
步序逻辑：
基于逻辑的步序使用预置的速度设定，每个步序可以按照一个指定的速度、方向和加速/减速曲线进行编程，变频器输出可用于指明正在执行哪个步序。
（2）I/O方面。
两个模拟量输入（一个单极性和一个双极性）与其它变频器I/O端子分别隔离，这些输入可以通过一个数字输入触发；
3个固定的和4个完全可编程的数字输入；
一个模拟量输出是通过DIP开关来选择0～10V或者0～20mA；
两个光电耦合输出和一个C型继电器输出通常用于表示变频器、电动机或逻辑量的状态。
（3）通讯方面。
内置式的DeviceNet集成通讯卡可以改善机器的性能；
现场安装选件允许以后将独立的变频器扩展到网络上；
RSNetWorx在线EDS文件创建功能提供了简便的网络设定；
PowerFlex40变频器面板上各LED指示灯说明如表3.1所示。
表3.1LED指示灯状态
编号
LED
LED状态
说明
1
运行/方向状态
固体红
标识变频器正在运行和命令的电机方向
闪烁红
变频器接受命令正在改变方向
2
符号显示
固体红
标识参数、参数值或故障代码
闪烁红
单个数字闪烁标识该参数可被编辑
3
显示单位
固体红
标识当前显示参数单位
4
编程状态
固体红
标识参数值可以被修改
5
故障状态
闪烁红
标识变频器故障
6
电位计状态
固体红
标识内置键盘上的电位计处于激活状态
7
启动键状态
固体红
标识内置键盘上的启动键处于激活状态
表3.2PowerFlex40映射参数及含义说明
序号
映射I/O
参数含义
1
Local:
3:
OCommandRegister
变频器激活
2
Local:
3:
OData[0].1
启动
3
Local:
3:
OData[0].0
停止
4
Local:
3:
OData[0].3
清除错误
5
Local:
3:
OData[0].16-31
设置频率
6
Local:
3:
OData[0].16-31
读取频率
图3.3PowerFlex40变频器实物图
3.4YSJ6324三相交流异步电动机
电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。
特指发电机、电能机、电动机。
是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。
电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。
它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。
交流电动机按结构和工作原理可划分：
可分为异步电动机和同步电动机。
异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速，同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。
本次设计要求电动机的额定功率为180W，电压220V，所以选择的电机为YSJ6324电动机，其参数满足设计要求，具体图片如下图3.4。
图3.4YSJ6324三相交流异步电动机
第4章系统的软件设计
4.1系统软件流程图的设计
按着课程设计的要求，配置好设备网后，可以进行PLC的梯形图设计，对电动机进行不同时间段的调速，方案设计为：
当开始按钮按下后电动机开始以15s的时间启动，并且变频器以500HZ的频率驱动电动机运转；15s结束后，电动机在10s的时间内进行减速，变频器以250HZ的频率驱动电动机运转；10s结束后，电动机又在另10s的时间内进行加速速，变频器以400HZ的频率驱动电动机运转；10s结束后，变频器输出频率为0HZ，电动机停止运转。
依据以上方案可绘制出软件程序流程图如图4.1所示。
图4.1系统软件流程图
4.2软件功能描述
（1）RSLinx。
通过RSLinx远程配置和浏览网络上的各种硬件，无需预存的配置文件便可浏览整个网络硬件。
（2）RSLogix5000。
Logix控制器统一的编程软件——RSLogix5000企业版，支持四种编程语言，包括梯形图、功能块、顺序流程图和结构化文本。
RSLogix5000具有以下特点：
单一编程软件包支持多种应用项目，通过RSLogix5000可以编写出顺序控制、过程控制、传动控制和运动控制程序；
具备针对控制器统一的编程环境，一个编程环境可以适合大、中、小控制系统，用户无需为不同系统掌握不同的编程软件，节省工程、培训和维护费用。
从网上免费下载最新的固件，在现场就可自己动手为设备进行升级，使原有系统具有新增的功能，保护用户已有投资；
程序编写简单而灵活，指令丰富；
基于标签的寻址方式，采用别名。
对于一个工程，可以将电气设计和软件编程同时进行，节省开发时间和费用。
在编程软件中便可显示趋势图，无需专门软件。
（3）RSNetWorxForDeviceNet。
RSNetWorx提供对开放设备网供货商协会的DeviceNet网络的设计、配置及管理。
设置可以在“离线”方式下通过“拖/放”设备图标的操作方式进行，也可以在RSLinx“在线”扫描DeviceNet网络的方式下进行。
4.3DeviceNet网络通信的配置
（1）创建RSLogix5000工程项目。
在Windows的开始菜单中选择“程序”，选择RockwellSoftware，再点击RSLogix5000EnterpriseSeries，选择RSLogix5000即可启动该编程软件。
RSLogix5000软件界面如图4.2所示。
打开该界面的文件（file）菜单，选择New，在RSLogix5000软件内创建一个新的工程项目。
在随即弹出的图4.3所示的控制器（NewController）对话框中选择处理器型号（Type——选择1756—L61）、版本号（选择Revision）、名称（Name——自定义）、机架（Chassis——1756—A10）、槽号（选择“0”，处理器在框架中的实际位置）和所创建的工程项目的位置（Create——选择存盘位置），配置完成后点击OK按钮。
图4.2RSLogix5000软件界面
图4.3控制器1756对话框
（2）配置I/O模块。
本课程设计只用了1756-DNB模块和1756-IB16D数字输入模块，因此只需对这两个模块进行配置即可。
在图4.4工程目录列表中选择I/OConfiguration，点击鼠标右键，选择NewModule，弹出I/O配置对话框，只勾选Communication选项，工程目录图如图4.5所示。
图4.4控制器标签界面
图4.51756-DNB对话框
在图4.5所示对话框的设备列表中选择1756-DNB设备网络扫描器模块后，点击OK按钮，弹出图4.6所示的模块配置对话框。
图4.6模块配置对话框
图4.7读取.dnt文件界面
在图4.6所示对话框中定义模块名称（Name——可以自定义），按照1756-DNB模块在框架中的实际位置选择槽号（Slot）（注意起始槽号是0，本设计装置中1756-DNB模块都插在3号槽），配置完毕后，点击Next按钮，直至出现图4.7所示的对话框。
在图4.7中点击Browse按钮，载入第二步中保存的.dnt文件，完成1756-DNB模块的配置。
（3）编制ControlLogix控制程序。
打开Tasks—MainTask—MainProgram前面的+号，在下拉列表中选择MainRoutine双击，在右侧显示图4.8所示的编辑界面，按要求写入梯形图。
（4）下载并监视程序运行。
程序通过校验后（即梯级左侧没有e），点击图4.9中的AB_ETH-1Ethernet前的“+”，在下拉列表中选择1756-L61LOGIX5561处理器（注意：
这里还是选择AB_ETH-1通信驱动程序），然后点击右侧的下载程序（Download）按钮，开始下载程序，下载完成后将处理器设置到运行（RUN）状态。
到控制面板上按下启动按钮，观察频率变化和三相异步电机转动情况；按动停止按钮，观察变频器是否停止工作。
图4.8梯形图编辑界面
图4.9在线设备对话框
4.4调试曲线
所设计的系统的变频器输出频率按照时间规律改变的趋势和所要求的变化几乎完全一致，由此说明本次设计的合理性，由Logix5000软件监测到的变频器输出频率变化曲线如图4.10所示。
图4.10变频器输出频率变化曲线
第5章课程设计总结
本课程设计介绍了基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统的智能节点硬件组态和软件组态，使用工业控制网络实验室的网络控制平台建立一个基于DeviceNet设备网总线的电机控制系统，整个网络系统中使用了罗克韦尔公司生产的ControlLogix系列PLC作为控制器，通过软件对DeviceNet网络的配置，实现了在设备网中通过变频器对电动机进行调速的目的。
在设备网配置方面，首先对设备网进行了简单的理论分析；然后对驱动系统进行了方案研究和细致的分析，完成了设计方案及主要驱动部件的选型。
结合生产企业的过程应用环境，在设备网应用的基础上，设计了基于罗克韦尔ControlLogix系列PLC为主控制器的电机控制系统。
根据系统需要完成的任务特点，确定了硬件构架和软件体系。
经过多次实验，验证了该设备网操作方便、性能稳定和实时性好，因此它广泛地应用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视或控制，它的网络节点除了常规微机、工作站以外，更多的是具有计算与通信能力的智能电器设备和仪表。
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社,2008
[2]周明.现场总线控制[M].中国电力出版社,2001
[3]赵越岭.工业控制网络技术实验教程[M].东北大学出版社,2013
[4]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012
[5]应群民.黄海龙.RockwellA—B可编程序控制器[M].机电工程,1999
[6]李华德.交流调速控制系统[M].电子工业出版社,2003
[7]康梅.变频器使用指南[M].化学工业出版社,2008
[8]原魁等.变频器基础及应用[M].冶金工业出版社,2005
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