摘 要：本文介紹了基于工業以太網通信變頻器的設計思想，在分析網絡變頻器的通信機制的基礎上，建立了一種基于數據通信優先級分類的工業以太網通信控制策略。系統利用上位機PID算法，根據網絡傳遞的水位信號計算變頻器輸出頻率，從而控制雙容水箱水位。實驗結果表明，通過這種工業以太網通信可有效地控制變頻器進行雙容水箱水位控制。 關鍵詞：網絡控制;工業以太網;變頻器;DSP 1 引言 　　變頻器的發展十分迅速，在國民經濟各部門得到了廣泛的應用。現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、通信數據容量小、通信距離短、不易組成網絡系統、實時性不高等缺點，無法滿足實際控制需求[1]。商用以太網具有很高的數據傳輸速率、低成本、易于組網等優點，但是其傳輸的確定性問題和實時性問題使其不適用于工業現場[2]。 　　針對這種現象，本文提出一種基于數據通信優先級分類的工業以太網通信機制，并將其應用到自主研發的變頻器上。通過這種工業以太網對變頻器進行遠程監控，實現對雙容水箱的PID水位控制。 2 工業以太網變頻器的設計 　　2.1 變頻器的網絡通信原理 　　傳統以太網采用總線式拓撲結構和IEEE802.3的CSMA/CD協議在實時性要求極高的工業控制領域中應用，主要的問題在于很難保證數據傳輸的最大遲滯要求。 　　本文針對這個問題構建了一個拓撲型工業以太網網絡結構，將變頻器置于這個網絡結構中進行通信控制，如圖1所示。該網絡結構借鑒了現場總線的一些優點，來改善以太網傳輸控制數據的實時性問題。系統用網絡樞紐控制器作為主控節點，變頻器和其他節點都在它的控制下進行通訊。采用主從式的通訊方式，可以有效地避免沖突的發生。同時，對于不同的數據，要按照它的功能和可靠性要求的不同進行分類，對各種不同的數據分別處理，既保證控制信息傳輸的可靠性，又保證整個網絡的吞吐量。 　　本文將控制網絡中的數據分為三類：（1）實時、可靠的數據。賦予這類數據優先級為P=1，如控制信號（2）實時，但不要求可靠的數據,如多媒體數據。賦予這類數據優先級為P=2。必要時，可以丟棄一些數據幀。（3）不要求實時也不要求可靠的數據，如上傳的PLC程序。賦予這類數據優先級為P=3。 　　這幾類數據包具體通訊策略如下： 　　（1）對于P=1的數據包，不管隊列中有多少個未發數據，都要確保發送完畢，即使周期超過發送周期T也要如此。 　　（2）對于P=2的數據包，只有在P=1的數據發送完全的情況下才能啟動發送。 　　（3）對于P=3的數據包，只有在P=2的數據發送完全的情況下才能啟動發送。 　　（4）每一次發送都由網絡樞紐控制器協調，向指定的變頻器發送指令，允許其發送。指定的設備收到指令，啟動發送。由于共享型網絡的廣播特性，發送的同時也通知控制器，本主機已交出發送權。 　　（5）為了保證各個站點的公平性，除了P=1的優先級外，其他優先級的數據發送總是從上一個周期最后發送數據的下一個站點開始。 　　（6）對于優先級P=1的數據，如果沒有數據可發，也要發送一個64字節的空白幀，通知控制器，自己已經讓出發送權。 　　網絡通信的硬件主要由主控芯片TMS320F2812和網絡芯片RTL8019AS構成。RTL8019AS的中斷與DSP的INT1相連，所以實現網絡通信功能的程序主要在INT1中斷程序中完成。 　　2.2 變頻功能的實現 　　系統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現交-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，同時采用直流電抗和電容吸收脈動電壓。經過整流濾波后的直流電壓直接供給IPM模塊進行逆變[3]。IPM模塊內部含有門極驅動控制，故障檢測和多種保護電路。內置電流傳感器來監測IGBT的主電路，內部故障保護電路檢測過流、短路、過熱和控制電源欠壓等故障，用于防止因系統相互干擾或者過載等發生時造成功率模塊的損壞。DSP使用SPWM法產生驅動信號，經過高速光耦隔離后驅動IGBT。 　　系統通過設置TMS320F2182的事件管理器EVA模塊中的比較單元和死區單元來產生PWM信號[4]。具體實現如下： 　　（1）設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; 　　（2）對定時器1計數器T1CNT賦初值，并對周期寄存器T1PR，定時器1控制寄存器T1CON正確設置; 　　（3）對死區控制寄存器DBTCONA進行正確的設置。 　　當比較單元的定時器計數值與比較寄存器中比較值相等時，就會在該比較單元的兩個PWM引腳上產生跳變，并經過1個CUP時鐘后發出比較中斷申請。將定時器1設置為連續增計數方式時，產生非對稱PWM波形。可見，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，采樣電路采用F2812的8路12位A/D轉換器進行對外部輸入模擬量信號進行A/D采樣[5]。 3 網絡變頻器的雙容水箱水位控制試驗 　　3.1 系統分析 　　本系統通過以太網上位機軟件對變頻器參數及水箱水位進行監控。網絡變頻器運行時，將頻率和水位信號通過系統建立的以太網網絡發送給上位機。系統通過上位機軟件設定預定水位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，以雙容水箱為控制對象進行系統建模。系統使用PID算法對雙容水箱的模型進行計算，得出系統的輸出信號，即變頻器輸出頻率，并通過以太網網絡發送給網絡變頻器，從而控制水箱水位。 　　試驗系統控制結構圖如圖2所示： 　　對于系統中的第一級水箱，我們可推導出如下的關系： 　　 　　3.2 PID水位控制實驗 　　系統通過上位機軟件將水箱的控制水位設定在25cm，并設置參數KP=2.0,KI=0.3,KD=0.5。上位機由PID算法得出變頻器輸出頻率值，并將其通過以太網絡傳輸給網絡變頻器。同時網絡變頻器對水位信號進行采樣，并將采樣結果和頻率信號一起通過工業以太網實時發送到上位機。根據這些實時數據可得到水位曲線。 　　由上述曲線可以看出，工業以太網變頻器可通過工業以太網進行數據監控，實現水位控制，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，實際水位基本保持不變。 4 結束語 　　根據實驗曲線可得出KP=2.0，KI=0.3，KD=0.5時，系統PID實驗的水位和頻率曲線。此實驗的水位曲線體現了此系統具有一階特性，達到穩定后水位和頻率的波動都比較小，系統的控制特性比較理想。 　　在實驗的過程中，工業以太網通信功能使變頻器的能夠有效地實現參數和實時數據實現遠程故障診斷打下基礎。同理，網絡變頻器還可以應用于其它高級控制規律的遠程網絡控制，在過程控制領域有廣泛的應用前景。 本文作者創新點： 　　1、系統設計實現了一種基于工業以太網通信的、可進行大容量數據通信的變頻器。通過這種基于數據分類的工業以太網通信，網絡變頻器可接收網絡指令，并上傳相關參數。 　　2、系統對雙容水箱進行系統建模，通過上位機軟件接收網絡變頻器傳輸的水位信號，使用PID控制算法計算出控制系統的輸出信號，并通過工業以太網絡控制網絡變頻器，從而實現雙容水箱的水位控制。 　　本文研究成果產生的直接經濟效益達50萬元，在高級過程控制系統中會有更深遠的應用意義和應用價值。本文數據的來源均來自研發實驗結果數據。研究的方法采用雙容水箱水位控制系統作為試驗平臺，進行系統的性能參數測試，并得出實驗數據。 參考文獻 　　[1]孟令東,曾志新,李勇 等.基于DSP交流伺服電機控制的制動系統的設計[J].微計算機信息，2006，（14）：153-155. 　　[2]Henning C.Why industrial Ethernet[J]. CONTROL ENGINEERING，53（5）:14-14. 　　[3]曾 敏,楊九銘,張泉宏 等.基于DSP的直流變頻控制系統研究[J]. 電力電子技術，2005，39（6）：112-113. 　　[4]唐勇奇.基于DSPTMS320F2812的變頻調速控制系統[J]. 儀表技術與傳感器， 2006，（3）:46-48. 　　[5]周雪松,何彥民,馬幼捷 等.TMS320F281在電力系統多通道同步交流采樣中的應用[J].自動化與儀器儀表， 2005，（4）：39-42.