正在进入控制领域的工业以太网 点击：18632 | 回复：74
发表于：2004-04-15 17:03:00
楼主
正在进入控制领域的工业以太网
几年前，当现场总线大战硝烟正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。以太网有以下优点：
(1)具有相当高的数据传输速率(目前已达到100Mb/s)，能提供足够的带宽；
(2)由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技术)世界；
(3)能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
(4)在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；
(5)沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
(6)允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低。此外，如Hirschmann公司已开发出一系列加固的、适合用于工业环境的密封和抗振动的以太网器件，如导轨式收发器、集线器、切换器、连接件等；Woodhead Connectivity公司推出保护等级为IP67的RJ-45连接器件。凡此种种，给以太网进入实时控制领域创造了条件。正因为如此，ARC(Automation Research Company)预测今后Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。VDC (Venture Development Corp.)在1999年3月19日发布的调查报告中预测，在工业控制应用领域，以太网的世界市场份额将由1998年的8.4%跃升为2003年的22%，是各种总线中升幅最大的。
目前世界上已有一些国际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，如IEEE(美国电气和电子工程师协会)正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO(工业自动化开放网络联盟)最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP达成共识。ODVA(DeviceNet供应商协会)于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。FF(现场总线基金会)于2000年3月29日公布了高速以太网(100Mb/s)的最终技术规范(FSI1.0)。工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。目前1000Mb/s以太网的发展已进入实用阶段，虽然其价格还比较昂贵。由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。本文概要介绍工业以太网最近的一些进展，并对今后的展望作一些探讨。
一 在应用层中的进展
1. 封装 众所周知，以太网自身只提供一系列的物理介质定义和一个共享的构架。构架包括物理介质、帧格式和LAN设备数据的寻址格式，即它只提供物理层和数据链路层。而Ethernet、TCP/IP则包含IP协议(层三)、TCP或UDP协议(层四)，当以太网用于信息技术时，第七层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SNMP(简单网络管理协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和Telnet(远程登录)等。但当它用于工业控制时，体现在第七层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。对这些不同的概念进行组装称为“封装”(Encapsulation)。TCP/IP支持基于异种操作系统的异种网络间的互联，它是真正的开放系统通信协议，已成为目前国际上进行异种网络互联的事实上的标准。
“封装”是将报文帧嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE(高速以太网)、Schneider Electric开发的Modbus TCP/IP。所有这些协议数据在发送到以太网以前，现场总线报文基本上没有什么变化并作为“用户数据”嵌入到TCP/IP帧内，很容易向下兼容到基于以上总线的协议。
Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，应用了压缩的ControlNet和DeviceNet协议的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息协议)，如图1所示。
CIP通过“隐性”和“显性”信息提供用于存取数据和控制设备的宽范围的服务。
在发送CIP数据包以前必须对其进行封装，CIP数据包给定一个报文首部(header)，该首部的内容取决于所请求的服务属性。
通过以太网连接的CIP数据包包括一个专用的以太网首部、一个IP首部、一个TCP首部和一个封装首部。封装首部包含的字段有控制命令、格式、状态信息和同步数据等，这允许CIP数据能通过TCP或UDP传送并确保在接收方进行解码。
Schneider Electric推出的“透明工厂”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封装有Modbus协议的Modbus TCP/IP的模块应用于Memetum PLC。Modbus TCP已成为半导体工业的标准EMIE54.9-2000。
FF的HSE是高效地映像到UDP (用户数据报文协议，一个被认为优于TCP的传输协议，其首部比TCP首部短而简单，只需8个字节，而TCP为长度可变的40个字节)的一个最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber协议，为IEC61158现场总线国际标准的类型5。
另一种解决方案是在现场总线的上层运行或封装有TCP/IP。Interbus就是这种解决方案，它的以太网策略是将TCP/IP报文分割为若干个小型数据包并封装在Interbus的参数通道进行传输，其总和帧协议仍保持不变。这些被分割的数据包将在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文。
封装方案的缺点是协议的效率低，以太网的首部比用户数据大得多，从而大幅度地增加开销，因此封装方案只适用于发送大容量的数据信息。
2. 代理服务器 代理服务器(Proxy)类似于对两个不同通信协议进行转换的网关(Gate-way)，但其功能要比后者强得多。代理服务器的主要目标是将标准现场总线网络集成到工业以太网网络，其主要优点是现有的现场总线设备在今后仍能长期使用，从而保护用户的投资。支持这种观点的是由Profibus国际组织发布的Profinet，它包含两个概念，即开放的、面向对象的运行期(Runtime)概念和独立于制造商的工程概念。运行期概念基于TCP/IP、UDP、RPC(运程程序调用)和DCOM，并对这些基本机制进行加强和优化，因而它适合于高实时性能要求的应用领域。工程概念包括建立工程对象模型，它不仅使用户能通过不同制造商的组态工具进行开发，还可以采用分面(Facet)的方法定义制造商和应用专用的扩展功能，因此支持在单个工厂范围集成不同制造商的产品。
3. 实时通信系统 IDA(Interface for Distributed Automation，用于分布式自动化的接口)采用美国California公司开发的位于第四层的NDDS实时通信系统，NDDS是Publisher/Subscriber模式，提供宽范围强有力的应用服务。IDA的另一个重要特性是基于Web的设备管理。所有现场设备均有其本身的Web页面，包括组态、操作和诊断参数，用户可通过标准的浏览器进行访问。基于XML的设备描述简化了系统的组态，并支持设备的互操作性和互换性。IDA位于工业以太网的第七层，它还定义从第四层到第七层和应用接口(API)之间的通信，甚至还包括应用程序的标准编程接口。IDA集团在2001年的德国汉诺威博览会上公布了其技术规范。IDA的模型如图2所示。
二 嵌入以太网的I/O 早在1998年，Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自动化系统中的以太网I/O用于德国Bayer AG公司的氯碱分厂，以太网将所有现场设备、控制器和PC机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制的信息网络。近年来，一些公司已推出不少以太网I/O产品，举例如下：
(1)Opto 22从1998年第四季度起开始提供以太网I/O产品，并不断扩展和改进其产品，如开发符合802.11和802.11b的无线电访问以太网产品和用于管理的SNMP以太网产品；
(2)National Instruments的Field Point I
发表于：2004-04-21 11:41:00
3楼
变频器基础 *1: VVVF 改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。 *2: CVCF 恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。 通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。 把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器 变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中 不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。 汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。 变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。 2. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ *1: r/min 电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm. 例如：4极电机 60Hz 1,800 [r/min] 4极电机 50Hz 1,500 [r/min] 电机的旋转速度同频率成比例 本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率（如下图所示）。 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。 另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极数 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压 例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。 例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题. 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。 因此，我们要重视散热问题啊！ 在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响 通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55 [W] 在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。 这时可以用估算: 变频器容量（KW）×60 [W] 因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。 那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。 根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。 如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。 还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。 变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇 一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。其他关于散热的问题 1。 在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。 2。 开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT， IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。 有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个道理。 矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？ *1: 转矩提升 此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。 改善电机低速输出转矩不足的技术 使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。 对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。 转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。 "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。 "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。 变频器制动的情况 *1: 制动的概念 指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速. 负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。 对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。 在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动. 这种操作方法被称作"再生制动"，而该方法可应用于变频器制动。 在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做"功率返回再生方法"。在实际中，这种应用需要"能量回馈单元"选件。 怎样提高制动能力？ 为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。 为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用"制动电阻"、"制动单元"或"功率再生变换器"等选件来改善变频器的制动容量 3. 当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？ *1: 工频电源 由电网提供的动力电源（商用电源） *2: 起动电流 当电机开始运转时，变频器的输出电流 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动 我们经常听到下面的说法："电机在工频电源供电时（*1）时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些"。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流 (*2) ）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。 通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。 当变频器调速到大于60Hz频率时，电机的输出转矩将降低 通常的电机是按50Hz(60Hz)电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe) 变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。 当电机以大于60Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。 举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)
****************************************
公司邮编 200233
联系电话 0086-21-54262222
联系传真 0086-21-54261000
公司网址 http://www.anovo.com.cn/
联系E-mail shanghai@anovotech.com
****************************************
热门招聘
相关主题
- 求助：电流环和4~20mA有什么区...
[4278] - modscan32如何使用[18256]
- 白话讲解现场总线[3823]
- 质疑 Z893[1626]
- 智能现场设备角色的扩展[1469]
- MODBUS的帧格式问题[1584]
- Webbased Management system...[1595]
- 谈现场总线技术国家自主化的...[1932]
- RS485最远的传输距离是多少？...[3058]
- 谁知道光纤的 单功 双功 全双...[2372]
官方公众号
智造工程师
-
客服
-
小程序
-
公众号
工控网智造工程师好文精选
