摘要：介绍了A-B公司最新推出的PowerFLex系列变频器基于三层网络的通讯系统，该通讯系统的网络结构采用罗克韦尔三层网络体系即由以太网(EtherNet/IP)、控制网(ControlNet)、设备网(DeviceNet)构成的三层网络系统，以变频器PowerFlex70在基于三层网络设计的ControlLogix系统中的通讯组态为例，充分展示PowerFlex系列变频器强大的工业网络功能。
关键词：工业网络；PowerFlex；ControlLogix; 以太网；控制网；设备网
1 引言
随着变频器的不断发展和推广应用，越来越多的场合需要对变频器进行网络通讯和监控，过去多采用传统的RS485/422接口采集实时信息，通过操作员界面修改参数。今天，由于网络和现场总线技术的发展和应用，变频器之间的通讯、变频器实时监控等功能已经已经演变成为数字化时代，带数字接口的变频器不但具有提供更多的数据信息网络通信能力，而且还可以实现基于网络的参数在线优化。
A-B公司生产的PowerFlex系列变频器就是基于罗克韦尔自动化的NetLinx开放网络体系，为DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP网络提供一系列通用的特性和服务，并导致更低的所有生产者成本。当用户进行控制、组态和采集数据的时候，可以很容易地管理从车间底层到顶层的信息并无缝地将它们成为一个完整的系统。它适用于DeviceNet、ControlNet、Universal RIO、RS485DF1、Profibus、interbus-S等网络。其中控制层网络（ControlNet）、设备层网络（DeviceNet）和信息层网络（EtherNet）的三层网络结构为罗克韦尔自动化公司最新开发出来的网络结构，基于这种网络结构设计的ControlLogix系统将这种网络思想体现的淋漓尽致。本文以下将介绍变频器PowerFlex70在ControlLogix系统中的组态及其网络功能，从而揭示PowerFelx系列变频器的网络优越性。
2 ControlLogix系统简介
ControlLogix体系结构是目前非常先进的控制平台，该控制平台集成多种控制规程（如：时序、运动、驱动、过程）。它所应用的处理器核心为Logix5550。Logix5550具有强大的处理能力和灵活性，它支持一个ControlLogix机架上可以插入多个控制器、多个控制器可以穿越多个机架实现分布式控制、预定的处理器对处理器的通讯、多个处理器共享相同的I/O模块和通讯模块等众多功能。ControlLogix背板是一种无源的总线，采用的是流行的生产者/消费者技术，因此具有效率高、数据传送准确等优点；另外ControlLogix背板是一个网关级的模块，可以进行各层网络协议之间的转化，因此可以通过一个普通的网卡便可以访问其他各层网络。如图2.1为ControlLogix网络系统结构图。
图 2.1 ControlLogix网络结构图
ControlLogix系统的编程软件为RSLogix5000，它向用户提供强大的功能，具有高级诊断能力、可靠的通讯、灵活的编辑器、强有力的数据库编辑器、拖一放编辑功能以及方便易用的界面等优点。
3 PowerFlex70三层网络组态
3.1 信息网络层（EtherNet）
信息层是整个控制系统的上层管理层，它采用开放性协议（IP协议）。不能把罗克韦尔信息层的以太网简单的理解为局域网，可以将该层扩展到整个互连网，位于该互连网上的任何一台工作站，只要具备必需的软件环境和适当的权限，都可以把控制程序远程下载到工业现场的编程控制器中，实现对底层设备进行控制。
在罗克韦尔三层网络组态中，使用RSLinx软件，增加一个新的以太网型设备驱动器NEU_RALab，然后在Host Name名中输入远程的以太网模块的IP地址，就可以浏览到远程系统位于各层网络上的设备。在ControlLogix系统编程软件RSLogix5000组态时，需要添加1756ENB或1756ENET模块，然后命名并设置其所在槽号。这一切以硬件连接正确为前提，模块类型要与实际相匹配，另外槽号和实际连接的槽号相符。然后组态模块端口，在刚添加的模块属性里的“Port Configuration”选项清除“Enable Bootp”选项并添上IP地址、子网屏蔽、网关地址等。
3.2 控制网络层（ControlNet）
3.2.1 ControlNet网络
控制网是由控制网国际有限公司（ControlNet International,Ltd.）首先提出来的一种开放式网络。罗克韦尔自动化公司的设计之初就提出了三层网络的概念，上层信息用于全厂的数据采集和程序维护；中层自动化和控制层实现实时I/O的控制、控制器的互锁和报文的传送；底层设备网用于底层设备的低成本、高效率的信息集成。其中控制网通讯采用当今流行的生产者/消费者模式，该模式采用多信道广播式，网络所有节点同步，信息吞吐量大，速度快，网络效率高；因此控制网具有高速、高度确定和可重复性的网络，特别适用于对时间苛刻要求的复杂应用场合的信息传输。
3.2.2 PowerFlex70的控制网组态
变频器PowerFlex70具有一种称为SCANport的通信接口，通过此接口连接一个信息转换模块，可以接入ControlNet网络端。信息转换模块的功能是将变频器数据和处理器的输入/输出数据相映射连接，以达到数据通讯的目的。在ControlLogix系统中，我们采用1203-CN1信息转换模块，具体网络结构如下图所示：
图 3.2.1PowerFlex在ControlNet中的连接
在连接好硬件后，需要利用RSNetWorx软件对诸如网络刷新时间、最大预定节点数、非预定节点数以及介质是否冗余等网络参数进行组态，同时还要组态每个节点，以定义它向主/从网络发送/接受什么的数据，以及组态节点为主、多主、对等或多信道广播通信方式。这些工作做好之后，使用RSLinx软件对重新网络扫描，可以从界面上看到1203-CN1模块。为了使变频器和处理器之间建立良好的数据通讯，需要使用软件RSNetWorx for ControlNet进行数据组态。
1203-CN1模块有数据链（Datalink）和报文两种数据结构。因此我们应该按此模块的数据结构进行数据传输，报文结构主要用于对输入数据或输出数据不需要连续刷新的情况，因而它适用于对变频器参数实时监控要求不高的场合。在ControlLogix系统中采用数据链结构。其结构如下图所示：
图 3.2.2 数据链结构
1203-CN1模块和变频器各有4个数据链A、B、C、D，每个数据链在处理器的输入和输出映像表中占用2个字，如A数据链在输入映像表中占用字2和字3。可通过通信模块的拨动开关来选通/截止某个数据链，如此，可通过数据链方式，PLC处理器每次可对变频器读或写2—8个字的数据信息。实际上数据链数据是要传送数据信息的指针。对于变频器来说，如要传送某个参数，则指针为该参数的参数号。所以必须在变频器中对各个数据链进行组态，即决定数据链指向哪个参数。
3.3 设备网络层（DeviceNet）
3.3.1 DeviceNet网络
设备层是罗克韦尔三层网络中的最底层网络，它的功能是将工业现场的最底层设备直接连接到车间控制器上。DeviceNet通讯连接是建立在控制器局部网（CAN）之上的，也基于最先进的生产者/消费者模式的一种网络形式。它使得控制数据对于该网络上的所有设备都可用，最有效的利用了网络的带宽。DeviceNet上的设备可以随时连接或断开，而不会影响网上其他设备的运行，方便维护和减少维修费用，也便于系统的扩充和改造。
3.3.2 PowerFlex70的设备网组态
实际上，PowerFlex70的通讯端口为串口，它将串口通讯分作5个通道以用为外部通讯，每个通道都对应不同的通讯设备，因此具有丰富的通讯方法，从而做到了对不同场合不同用途下的通用型与适应性。下面图表对5 个通道进行说明。
图3.3.1 PowerFlex70串口通讯
表 3.3-1 DPI端口连接说明
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连接端口 |
说明 |
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① |
DPI端口1 |
机箱内安装时HIM连接。 |
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② |
DPI端口2 |
手持或远程器件电缆连接。 |
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③ |
DPI端口3
或1 |
连接到DPI端口2的分配电缆，提供一个附加端口。 |
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④ |
控制/功率单元连接 |
控制与功率单元板间连接。 |
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⑤ |
DPI端口5 |
通信适配器的电缆连接。 |
在控制网上使用的SCANport是DPI端口2，而DPI端口5允许用户添加网络适配器与变频器进行通讯，这样变频器的参数更改和监控功能都将通过一条电缆在网络环境下进行。因此在ControlLogix中，在DPI端口5增加一个A-B公司的20-COMM-D网络适配器与DeviceNet连接。
完成好变频器与ControlLogix的设备网模块硬件连接后，需要进行对网络适配器的硬件设定。网络适配器的硬件设定由两部分构成，一个用来设置变频器在DeviceNet网络中的节点号；另一个用来设置变频器网络通讯的传输速率。PowerFlex70网络适配器的节点地址由个位和十位两个开关来设定，允许设定的范围是0～63。如果数据传输速率开关打到PGM状态，那么变频器的节点地址将由软件来设定。数据传输速率可设定为AUTO、125K、250K、500K和PGM几种。AUTO的意思是适配器传输速率由其他网络设备确定，顾网络中另外一个设备必须设定数据传输速率；PGM为软件编程设定。
PowerFlex70的DeviceNet通讯需要通过两个部分的组态来完成。一个是适配器的组态，另一个是网络扫描器的组态。变频器将网络传输的数据通过20个字（输入输出各10个）与适配器进行通讯，适配器再将数据通过I/O映像的方式将数据保存在网络扫描器中。而扫描器中的数据可以在程序中直接进行监控，这样就实现了通过DeviceNet网络与变频器进行通讯。下图为I/O映像表：
用户可以利用HIM人机界面来对适配器组态，也可以使用软件RSNetWorx for DeviceNet组态。HIM是PowerFlex70的一个面板控制，具有良好的人机界面，可以直接人机对话，并且功能强大。
组态完网络适配器与扫描器之后，变频器通过网络适配器已经与处理器Logix5550建立了连接，但还需要进行数据连接，即用户通过更改变频器参数来自行定义将从哪些参数中读取数据和向哪些参数中写数据。PowerFlex70的“Datalinks”参数组提供给用户将网络输入输出通道与参数进行连接的方法。用户只需要在相应的参数值中写下需要输入输出的参数编号，然后下载到网络适配器中即可。
4 结束语
本文介绍了PowerFlex70在先进的工业三层网络ControlLogix系统中如何进行网络连接与组态的方法。通过对PowerFlex70串口通讯的设计，结合ControlLogix网络系统的优越特性，可以看到变频器PowerFlex70强大的网络功能。多种途径的网络功能，使得用户可以任意选择，繁简自选，从而也适应了市场的要求。另外，变频器PowerFlex70不仅通讯功能强大，而且其控制功能也并非逊色，限于篇幅，这里不在阐述。
参考文献
1 User Manual for PowerFlex DeviceNet Adapter of Allen-Bradley
2 王晓初 吴乃优 基于ControlNet网络的变频器参数实时监控 广东工业大学
