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PLC和變頻器通信網絡的連接方法

大多數情況下,采用PLC和變頻器相配合組成變頻調速控制系統。控制系統中,PLC除了接收來自變頻器的輸出轉速、輸出功率等信息,發送頻率設定信號和外部設定的開關量信號,實現外部PID控制器等功能外,還可以用通信方式發送和接收指令,實現對變頻器的控制。

(1) PLC控制網絡

PLC控制網絡指用于過程控制的模擬量輸入輸出、開關量輸入輸出組成的網絡。它不采用通信總線傳輸信息。

①開關量輸入輸出。PLC的開關量輸出作為變頻器的開關量輸入,用于作為變頻器的外部開關信號的設定。例如,PLC輸出的開關量信號作為變頻器選擇外部設定EXT1或EXT2的信號;作為外部設定的啟動、停止和轉向信號;用開關量信號的組合作為選擇恒速的信號等。

變頻器的開關量輸出作為PLC的開關量輸入,用于變頻器有關信息的顯示等。例如,變頻器運行狀態信息、故障狀態信息等。

②模擬量輸入輸出。PLC的模擬量輸出作為變頻器的模擬量輸入,用于作為變頻器的外部模擬信號的設定。例如,用PLC的模擬量輸出信號作為變頻器內置PID控制器的外部設定信號;用PLC的模擬量輸出信號組合作為變頻器內置PID控制器的外部設定信號,實現前饋一反饋控制等。

變頻器的模擬量輸出作為PLC的模擬量輸入,用于變頻器有關信息的顯示。例如,變頻器額定電流或輸出頻率、電動機轉速等信息的顯示。

③PLC控制網絡的特點如下。

a.不采用通信總線傳輸信息。通過模擬量信號線、開關量信號線傳輸信息。

b.信息之間的相互干擾小。

c.除了采用傳輸模擬信號和開關信號的HART通信協議信號線外,一般信號線傳輸的信號是單一的。

d.每組信號線是一一對應的。因此,電纜量大,安裝施工工作量大。

(2) PLC通信網絡

PLC通信網絡指PLC與變頻器、上位機之間以通信網絡形式組成的網絡。采用通信電纜傳輸信息。

①工業通信。工業通信包括數據監視和處理、診斷和監測及可視化,此外,還包括在組網電流和共模噪聲條件下維護數據完整性等內容。

a.工業通信網絡的層次。工業通信網絡可分為下列層次。

i.企業級。用于企業內部信息的交換。通常使用工業以太網、服務器和網關實現。它根據全自動化集成系統的要求,將自動化系統信息化和扁平化。具有下列特點。

·實現整個企業層面的互操作:使用對各種集散控制系統、可編程控制器系統和其他職能裝置的專用接口和相應的軟件,實現開放系統互聯。

·實現與各業務經營管理軟件的全開放:支持開放系統的各種標準,例如,OPC、ISA SP95等,并能支持供應商提供的標準,組成該管理級的連接庫。

·支持資產績效管理:對全廠資產進行優化和調度,對原材料到產品的信息鏈行優化和調度,實現績效管理,從生產過程閉環控制上升到經營業務的閉環控制。

·提供統一的涵蓋全廠各控制專業的工程環境:使集散控制系統、儀表安全系統、可編程控制器系統、人機界面、制造執行系統等的工程設計、組態都能夠在統一的操作環境下進行,提高效益,降低成本。

ii.控制級。用于工業生產過程的控制。通常使用高性能以太網,例如,FF HSE,ProfiNet等實現。它的實現與生產過程的產品質量和產量等密切相關。具有下列特點。

·采用屏幕顯示過程流程和過程數據,及有關的操作按鍵。

·操作方便,簡捷;存儲數據量大,顯示信息量大。

·提供報警和故障診斷處理功能。

·實現與上位機及與設備級的數據通信。

iii.設備級。用于過程中設備之間的信息交換。例如,FF H1,Profibus DP,Devi-ceNet等實現。在該級直接與現場過程儀表連接,實現生產過程數據上傳到控制級,及控制級指令下載到現場執行機構。具有下列特點。

·高可靠性,強實時性。

·控制功能強,通信速度高,信息量大。

iv.傳感器執行器級。用于現場傳感器執行器之間的信息交換。例如,使用AS-I、RS-485等實現。由于計算機技術的發展,智能技術已經廣泛應用于現場傳感器和執行器,形成了傳感器執行器組成的現場總線的通信網絡。具有下列特點。

·多信息系統。實現雙向的多變量通信、多端存取和互操作性。

·高可靠性、高精度和強系統自診斷、自校正功能。

·成本和安裝費用低、維護和校驗方便。

20世紀90年代現場總線技術逐漸在工業界得到應用,形成多標準并存局面。現場總線分為下列三類。

V.執行器傳感器現場總線。是用于現場設備的底層現場總線。它適用于簡單的開關裝置和輸入輸出位的這類通信,數據寬度僅限于“位”。其結構簡單,成本低,數據信息短,需快速和有預知的響應時間。它具有簡化現場接線,不支持本安回路,不支持總線供電,傳輸距離在500m以下等特點。典型的執行器傳感器現場總線有Seriplex總線、AS-i總線。連接到執行器傳感器現場總線的設備主要是接近開關、液位開關、開關式控制閥、電磁閥、電動機和其他兩位式操作的設備。

vi.設備現場總線。是中間層的現場總線。它適用于以字節為單位的設備和裝置的通信,例如,用于分析器、編碼器、流程參數傳感器、電機啟動器、接觸器、電磁閥等的信息傳輸。其特點是成本適中,數據信息包括離散量和模擬量,要求有快速通信和預知的響應時間,它支持總線供電,不支持本安回路,可采用雙絞線作為通信媒體。典型的設備現場總線有Interbus-S總線、DeviceNet總線、Profibus DP總線、ControlNet總線、SDS總線和CAN總線等。

vii.全服務現場總線。它是最高層的現場總線,該總線以報文通信為主,包括一些復雜的對過程控制裝置的操作和控制等功能。其特點是開放性、互操作性及分散控制等。它的通信數據信息長,最大傳輸距離根據采用通信媒體的不同而變化。傳輸時間較長,傳輸數據類型較多。這類總線有基金會現場總線( FF)、Profibus-PA總線、WorldFIP現場總線、HART總線和LON總線等。

b.數據通信傳輸媒體。分為有線和無線兩大類。可采用電信號傳輸,也可采用非電信號傳輸。有線傳輸媒體使用物理導體提供從一個設備到另一個設備的通信管道。無線傳輸媒體使用空氣(或水)廣播傳輸信息。

i.雙絞線。雙絞線指扭在一起的一對或兩對絕緣銅導線。雙絞線分屏蔽雙絞線( STP)和非屏蔽雙絞線(UTP)。單位長度的螺旋數是雙絞線螺旋狀結構的重要參數,螺旋數越多,越有利于降低電容和減少相鄰導線間的串擾。雙絞線可用于傳輸標準模擬信號,例如,4~20mA直流電流信號。雙絞線也可用于傳輸數字信號。在混合傳輸系統中,雙絞線既用于傳輸模擬電流信號,也用于傳輸HART協議的數字信號。

雙絞線具有價格低廉、數據傳輸率低、可連接設備較少等特點,因此,適合在變頻調速控制系統的現場級網絡中采用。

ii.同軸電纜。同軸電纜是由一個中心的固態導體或膠合線,外部包覆一層絕緣層,再包覆一層金屬箔或金屬網格,最后包裹一層絕緣層和塑料外皮組成。同軸電纜分為基帶傳輸和寬帶傳輸兩種電纜。它具有較高的傳輸帶寬和較高的傳輸速率,具有強抗干擾能力,多站適用性好等特點。可作為基帶網、寬帶網及高速單信道寬帶通信媒體。

iii.光導纖維。它是采用光波信號傳輸模擬信號的管線。光纜的中心是玻璃或塑料芯材組成的光導纖維,外部是低密度的填充材料,使光線在芯材中只能反射。光纜分單模和多模。光線在光纖中以單一的路徑(軸心)傳播的光纜稱為單模光纜,以多條路徑進行傳播的光纜稱為多模光纜。

由于光纜傳播的信號是光線,光纜外套也對外部光線干擾屏蔽,因此,光纜傳播方式具有強抗電磁干擾能力。光纜傳輸具有傳播距離遠,信號衰減小、帶寬高,傳輸速率高、本身費用昂貴、安裝和維護費用高等特點。適合作為企業級通信網絡的通信媒體。

iv.無線電波。無線電波適用于全球,在工業過程控制領域的數據通信。目前已經在一些工業應用領域的數據檢測等方面有一定應用。

②數據通信的網絡組件。通信系統的網絡組件主要有中繼器、集線器、交換式集線器、網橋、路由器、網關等。此外有連接器、耦合器等。

a.中繼器。它是物理層設備,將兩個通信網段的線纜連接在一起。它可連接不同的通信介質類型,信號在中繼器中得到再生和放大,中繼器能夠精確地按位復制所接收到的數據。

b.集線器。也稱為配線集中器。集線器工作在物理層,它逐位復制經由物理通信介質傳輸的信號,使信號得到加強,集線器可在一組節點中共享信號,因此,集線器常用于管理許多網絡中都存在的復雜電纜和眾多電纜類型。集線器除了具有與中繼器相同的對信號復制功能外,還具有對信號的共享功能。

中繼器和集線器對發送和接收端設備是透明的,技術上講,它們不是物理互聯設備,但因擴展通信線路的作用距離,或將同樣信號傳送給多個節點,因此將它們作為物理互聯設備。

c,網橋。它是在OSI模型的數據鏈路層操作的一種設備。它可將數個局域網或局域網網段連接在一起。網橋可將具有相同介質訪問類型的局域網連接在一起,也可將具有不同介質訪問類型的局域網連接在一起。

d.路由器。它是網絡層設備。它有多個可連接到一個網絡或另一個路由器的端口。路由器查看每個數據報上邏輯網絡地址,使用自身內部的路由表決定數據報到達目的地的最佳路徑,并將數據報發送相應路由端口。如果數據報送達的網段沒有與該路由器相連,路由器會將該數據報送達和最終目的節點較近的其他路由器。

e.網關。網關是協議轉換器。它在兩種不同類型的通信協議體系之間轉換數據,用于鏈接專用網絡和公用網。

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