基于DeviceNet的智能电动机控制

第一作者 :柳 　炜 , 男 ,1971 年生 ,1993 年毕业于上海工业 大学 ,硕士研究生 , 工程师。从事工业 与民用建筑的电气 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 现场总线 　　　　　　　　　基于 Device Net 的智能 　　　　　　电动机控制 柳 　炜 　陈 　坚 　　上海交通大学 (200030) 摘 　要 　传统的电动机控制布线工作量大 ,控制功能及精度差 ,不能满足现代企 业的要求。本文介绍了基于 DeviceNet 的智能电动机控制 ,可以克服以上缺点 ,并能方 便地接入整个企业的管理及控制网络 ,实现资源共享 ,具有传统的 MCC 无法比拟的 优势。 叙 　词 : DeviceNet 　现场总线 　电动机控制中心 中图分类号 : TM307 + . 3 　TP273 + . 5 Intelligent Motor Control Based on Device Net LIU Wei 　CHEN Jian Shanghai Jiaotong University (200030) 　　　　　　　 　　Abstract : Traditional motor control can’t meet the requirements of modern enterprise because of numerous wire con2 nection , poor function and dissatisfied accuracy. In this paper , intelligent motor control based on DeviceNet was introduced. The new control measure is a solution for above problems. It can be connected to the enterprise management and control sys2 tem to share resources via network and has the greater advantages than traditional measure. Key words : DeviceNet 　fieldbus 　motor control center (MCC) 1 　概　述 传统的企业电动机控制系统采用一对一连 线 ,用电压、电流的模拟信号及接点开关信号进行 控制 ,需要大量的布线工作 ,并要设计复杂的二次 回路。采用数字调节器和可编程序控制器 ( PLC) 的集散控制系统 (DCS) ,其通信采用专用网络 ,难 以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交 换 ,成为企业中的信息“孤岛”,这种发展状况是与 计算机网络技术的发展不符的。要实现整个企业 的信息集成 ,实施综合自动化 ,就必须设计出一种 能在工业现场环境下运行、性能可靠、造价低廉的 通信系统 ,形成工业底层网络 ,实现电动机控制 , 并方便底层现场设备之间以及生产现场与外界的 信息交换。现场总线系统 ( Fieldbus Control Sys2 tem ,FCS)在这种实际需求的驱动下应运而生 ,它 作为工业现场智能设备之间的互联网络 ,沟通了 生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理 层网络之间的联系 ,为实现电动机智能控制提供 了解决方法。 目前 ,在 PLC和工控机中使用的主流现场总 线 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 有西门子的 Profibus ,罗克韦尔自动化的 ControlNet 和 DeviceNet 以及基金会现场总线 FF 等。其中 DeviceNet 在工业控制底层 ,特别在智能 电动机控制中得到大量应用 ,我国已于 2002 年 10 月将 DeviceNet 作为国家标准《低压开关设备和控 制设备 　控制器2设备接口 (CDI) 第 3 部分 :Devi2 ceNet》( GB/ T 18858. 322002) 。本文结合工程实例 讨论基于 DeviceNet 现场总线的智能电动机控制。 2 　系统控制要求 本文结合某印刷企业中公用设备的电动机控 制来进行探讨。该企业建筑物由主厂房、水泵房 等组成 ,总建筑面积约 2 万多 m2 。其公用设备分 为采暖通风系统、给排水系统、热力系统等。对这 些系统中的电动机采用电动机控制中心 (MCC) 集 —72— 基于 DeviceNet 的智能电动机控制 低压电器( 2003 №3) 中控制。一般电动机控制为开关量的起停控制 , 暖通的冷冻水系统及水泵房内的部分电动机为变 频控制 ,还有些大型水泵需要软起动。各单体的 电动机点数如表 1 所示。 表 1 　各单体的电动机点数 单 　体 系统 起停控制 变频控制 软起动 主厂房 采暖通风 47 2 - 给排水 4 3 - 热力系统 4 - - 水泵房 给排水 5 - 2 总 　计 60 5 2 　　各个电动机根据生产要求进行事件、时序及 PID 控制 ,由 PLC 实现 ,故 MCC 柜中不需要设计 复杂的二次回路 ,只要简单的标准电动机控制即 可。其与传统的 PLC 控制区别在于 MCC 与 PLC 之间只要通过 DeviceNet 总线联系即可 ;而传统的 方法则需要每个回路一对一电缆硬连接 ,即在传 统 PLC的下层再引入一层现场网络。 电动机控制要求如下 : ①盘面手、自动切换 ; ②就地手动起停 ; ③远程控制起停 ; ④返回信号 (状态及故障) ; ⑤对变频器要转速控制。 MCC柜与 PLC 之间通过 DeviceNet 传递的信 号如下 : ①远程起停信号 ; ②手、自动切换信号 ; ③运行状态信号 ; ④故障信号 ; ⑤断路器状态信 号 ; ⑥转速控制信号 (对变频器) 。 3 　控制系统结构 针对上述要求 ,对企业整个系统采用 3 层网 络结构 ,如图 1 所示。设一个监控室 ,内有 1 台中 央监控计算机 ,下设 2 个 PLC 控制器 ,每个 PLC 控制本建筑物内的 MCC 柜。控制器与 MCC 柜用 DeviceNet 现场总线连接。2 台控制器之间及控制 器与中央监控计算机的通信通过 ControlNet 进行。 监控计算机与其他部门的计算机通过企业以太网 实现信息共享 ,实现了将工业现场设备通过底层 总线连接到以太网 ,达到了集成化工厂结构体系。 由于主厂房的公用车间内电动机较集中 ,在 其旁设监控室及 MCC 室 ,以方便管理 ,减少布线 长度。考虑一次回路电流大小及系统安全性 ,主 厂房内设两组 MCC 柜 ,在水泵房内设 1 组。根据 控制的点数、与网络的连接方式、经济性、可靠性 等因素 ,采用 Micrologix 1500 作为主厂房内 2 组 MCC的控制器 ,水泵房选用 Compactlogix 5330 ,均 图 1 　3 层网络结构的电动机控制 装在 MCC 柜内。控制器不但负责控制 MCC 柜 , 还要通过 DeviceNet 采集温度、压力、流量等信号。 4 　MCC 柜设计 MCC矩连接各类电动机 ,控制功能较复杂 , 根据现场智能仪表收集的温度、压力、液位等信 号 ,由就地 PLC 做出判断后动作。基于 DeviceNet 的 MCC系统如图 2 所示。 图 2 　基于 DeviceNet 的 MCC系统 4. 1 　电源进线柜 该柜内设有进线空气开关 ,需要电压、电流、 频率监测 ,业主在管理上为方便成本核算需要计 量用电量。设计上在进线柜内装设一个 Power2 monitor Ⅱ电源监控器 ,可以方便地将电压、电流、 频率、功率、耗电量等参数直接接入 DeviceNet 现 场总线。 4. 2 　一般电动机控制回路 　　典型的电动机主回路一般由断路器、接触器、 热继电器组成 ,在一次回路设计时 ,该 3 个器件均 要带辅助触点。其输入控制信号为电动机的起 —82— 低压电器( 2003 №3) 基于 DeviceNet 的智能电动机控制 停 ,输出信号为电动机的状态 (取自接触器辅助触 点) ,故障 (取自热继电器辅助触点) ,手、自动 (取 自转换开关) ,断路器状态 (取自断路器辅助触点) 等 ,通过界面模块 DSA 直接将这些数字量接入 DeviceNet。对于要求较高的回路用 E3 固态热过 载继电器代替传统的热继电器 ,它可以获取电流 值 ,具有可编程功能 (报警、跳闸、延时等) ,并能直 接接入 DeviceNet。 4. 3 　变频器及软起动器回路 对需要变频器的回路 ,根据电机功率选用 1336Plus Ⅱ或 1305 变频器 ,并要设快速熔断器保 护。对大功率电机采用 SMC Dialog Plus 智能电动 机控制器实现软起动 ,此时除快速熔断器外还要 设旁路接触器保护 ,以延长其使用寿命。变频器 及软起动器均通过 21002GK61 接入 DeviceNet。 21002GK61 也可同时将断路器 ,手、自动 ,接触器 信号接入总线。 4. 4 　MCC柜内部网络布线 本工程中选用的是成套智能电动机控制中心 Centerline。在该 MCC 中已内置 DeviceNet ,在每一 垂直槽中都有 DeviceNet 端口。各个 I/ O 信号通 过界面模块直接插入该端口即可 , 连线方便。如 采用一般 MCC 柜也可在柜内加装 5 芯DeviceNet 总线。 4. 5 　外部布线 外部布线十分简单 ,只要一条 5 芯电缆 ,2 根 为 24 V 电源线 ,2 根为信号线 ,1 根屏蔽线。传统 的 PLC或 DDC控制 ,其监控点与所需的控制电缆 是一一对应的 ,而现场总线可用一根电缆将许多 监控点相连。采用 DeviceNet 现场总线可以大大 减少布线工作量 ,并对将来的检修及系统扩展带 来极大的方便。 5 　控制系统功能 MCC的基本控制功能通过 RSLogix5 编程/ 调 试软件由就地的 PLC 实现。在监控室内的计算 机中装有基于 Windows 操作系统的 IntelliCENTER 软件 ,该软件为 MCC 提供了强大的功能 ,其人机 界面可以模拟 MCC的盘面布置 ,显示其配备的铭 牌和指示表计 ,这样用户对运行状态就可一目了 然。用户可在网络中的任何位置进行监控。该软 件可获得 DeviceNet 网络中最新的信息 ,允许预维 护、过程监视和高级诊断 ,实现即插即用。具有以 下监控功能 : ①实时状态信息 ; ②故障诊断 ; ③ 参数设定 ; ④MCC在线文档 ; ⑤电动机实时热容 量值及历史曲线 ; ⑥历史故障 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ; ⑦备件信 息。 6 　采用 DeviceNet 总线的 MCC 优点 　　基于DeviceNet 现场总线的智能MCC有着传统 电动机控制无法比拟的优势 ,其比较结果见表 2。 表 2 　基于 DeviceNet 控制与传统控制方法比较 序 　号 内 　容 基于 DeviceNet 控制 传统控制 1 布 　线 1 根 5 芯电缆 ,布线简单 布线多。本项目就要 60 多根电缆 ,600 多根线 ,还要进行电缆及端子编号 ,放 线、接线工作量大 2 二次回路 通过控制器编程 ,可以方便地实现事件、时序 及 PID 控制 ,修改简单 要设计复杂的二次回路 ,且控制精度不 好 ,修改麻烦 3 改造扩展 新增设备回路就近与总线相连即可 要重新布线 ,当距离较远及环境复杂时 连线困难 4 系统维护 可以传送多个变量。在传输信号的同时 ,电机 的各种参数和简单的诊断信息也一并传送 只能传递简单信号 ,了解信息有限 ,故 障排除及日常维护时操作人员工作量 大 5 检测精度 现场总线的数字信号比 4～20 mA 模拟信号的 精度提高 10 倍 精度差 ,A/ D 转换中会产生误差 6 信息共享 可通过接口接到 ControlNet ,再到上层的 Ether2 Net ,实现管理的集中化和控制的分散化 ,使整 个企业实现资源共享 只能实现本地或本系统内信息传递 ,与 整个企业实现网络连接困难 ,信息共享 性差 (下转第 33 页) —92— 基于 DeviceNet 的智能电动机控制 低压电器( 2003 №3) 数字标签的形式显示了水泵的当前转速 ;水泵右 侧的温度计显示出水泵电机的温升 ,点击温度计 可以查看电机温升的曲线 ;泵组监控图中水泵上 方的 3 个电流表显示出水泵电机的三相电流 ,点 击水泵可以查看三相电流的曲线。 　　在泵组监控图或 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 流程图中点击闸阀即可 打开相应的闸阀开停控制窗口。例如 ,在 1 号泵 组的监控系统图中点击进水闸阀 ,就可进入 1 号 进水闸阀监控图。在 1 号进水闸阀监控图中 ,当 闸阀处于中控状态时 ,点击开按钮可以开阀 ,绿灯 亮 ;点击关按钮可以关阀 ,红灯亮 ;点击停按钮可 以停止动作 ,黄灯亮 ;闸阀开/ 关完毕 ,动作停止 后 ,黄灯亮。 6 　结束语 现场总线 DeviceNet 技术的泵站监控系统已 顺利通过验收并投入正常运行。虽然作为一个试 点 ,只使用了简单的远程 I/ O 单元 ,尚未完全显示 现场总线的优点 ,但已可看到用 DeviceNet 实现水 处理的自动化控制是一种很好的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,具有非常 广阔的前景。 参 考 文 献 1 　DeviceNet 技术概要. 开放式 DeviceNet 供货商协会 , 1999 2 　国内外机电一体化技术. 中国机电一体化技术应用协 会 ,2002 , (1) 3 　Anonymous ,8227 Serial Communication Controller , Control2 ler Area Network Protocol. Intel Corporation , December , 1995 , Order Number :2722502006 收稿日期 :2002212216 (上接第 29 页) 7 　结束语 智能化、网络化、模块化已成为目前控制系统 的发展趋势。现场总线作为自动化领域的一次革 命 ,它的意义和产生的效益是非常巨大的。基于 DeviceNet 现场总线技术的电动机控制系统对于 用户具有很高的通用性和灵活性以及较低的成 本 ,因而具有非常高的应用价值 ,可大大提高其故 障诊断率 ,降低维护成本。目前 ,支持 DeviceNet 的有 300 多家著名自动化设备厂商 , 随着 DeviceNet标准体系的建立 ,不同厂家的产品可方 便地实现兼容 ,其在电动机控制等自动化领域必 将有更广阔的应用前景。 参 考 文 献 1 　阳宪惠. 现场总线技术及其应用 [M] . 北京 :清华大学 出版社 ,2001 2 　刘 　勇. 计算机网络及互连技术 [M] . 北京 :人民邮电 出版社 ,2000 3 　梁 　华. 建筑弱电工程设计手册 [M] . 北京 :中国建筑 工业出版社 ,1998 4 　周齐国 ,许红浪 ,等. 略论智能建筑的系统结构 [J ] . 建 筑电气 ,2001 , (1) :17～21 5 　赖 　颖. 智能化低压配电系统 [J ] . 电世界 ,2002 , (2) : 13～15 6 　浙江大学罗克韦尔自动化技术中心. 可编程序控制器 系统[M] . 杭州 :浙江大学出版社 ,2000 收稿日期 :2003201220 热　　烈　　祝　　贺 荣获 　第二届国家期刊奖百种重点期刊 —33— DeviceNet 在水处理中的应用 低压电器( 2003 №3)