1、華南理工大學第九章第九章 網絡化運動控制系統網絡化運動控制系統華南理工大學內容提要內容提要p數字化調速系統數字化調速系統p數字位置隨動系統數字位置隨動系統p網絡化運動控制系統網絡化運動控制系統 華南理工大學引引 言言隨著微電子技術、傳感技術、通信技術、計算機技術的不斷發展和進步，運動控制系統已經從以往的單機控制發展到多機和網絡控制。特別是現場總線技術的發展使得網絡化運動控制系統更易于實現，網絡化運動控制系統具有功能強、集成度高、模塊化結構、體積小、數據傳輸快、可靠等優點，目前已廣泛用于汽車、電梯、大型工業裝備及生產線等領域。 華南理工大學9.1 9.1 數字化調速系統數字化調速系統數字化調速系

2、統指的是用微機處理器代替以往的模擬調速器的系統。計算機信號 采 集 轉 換 隔 離放 大電 機驅動D/A 數字化調速系統結構框圖 優點:n體積小n實現方便n可以實現一般的PID控制n編程實現復雜的矢量控制、非線性魯棒控制、模糊控制等方法華南理工大學 給 定 斜波 發 生器 頻率限 制 速 度 控 制 力 矩 控 制 電 流控 制西門子變頻調速系統的性能組合例子西門子變頻調速系統的性能組合例子該調速系統采用矢量控制方法，用戶可以通過模塊選擇給定轉速、起停特性（斜波發生器）、運行轉速（轉速控制）以及控制電機電流允許的最大頻率和力矩。在許多場合對起停特性都有一定的要求，例如電梯的起動和停止時間是不同

3、的，過快可能造成故障或人員傷亡，過慢會增加電梯的運行時間，降低它的效率。 華南理工大學9.2 9.2 數字位置隨動系統數字位置隨動系統p位置隨動系統位置隨動系統 能使被控裝置準確無誤地跟隨并復現給定量，這類控制系統稱為位置隨動系統 。p數字位置隨動系統數字位置隨動系統采用了數字化技術的位置隨動系統稱為數字位置隨動系統華南理工大學數字隨動系統的構成數字隨動系統的構成 光 碼盤 輸 出位 置給定電 機位 置轉 換 器速 度 轉 換 器隔 離驅 動D/A速 度調 節器位 置調 節器 計 算 機 位 置給 定 + _+ _多了位置多了位置控制環控制環功能：功能：通過電機上的光碼盤檢測到運動位置，再與給

4、定通過電機上的光碼盤檢測到運動位置，再與給定位置比較計算出它們的偏差。位置比較計算出它們的偏差。通過位置調節器（如通過位置調節器（如PID）輸出作為電機的速度）輸出作為電機的速度給定量。給定量。華南理工大學9.3 9.3 網絡化運動控制系統網絡化運動控制系統p網絡運動控制系統的結構p現場總線 PROFIBUS現場總線 CAN現場總線概述 華南理工大學在現代化的生產過程中，所有控制設備在現代化的生產過程中，所有控制設備都是以網絡形式連接的，特別是現場總線、工都是以網絡形式連接的，特別是現場總線、工業以太網、互聯網技術的發展與應用，使設備業以太網、互聯網技術的發展與應用，使設備的控制和通訊變得更方

5、便，可以實現遠距離的的控制和通訊變得更方便，可以實現遠距離的調速及控制參數的設定等。調速及控制參數的設定等。運動控制系統的發展方向運動控制系統的發展方向: 多電機及設備網絡連接和控制華南理工大學9.3.19.3.1網絡運動控制系統的結構網絡運動控制系統的結構華南理工大學控制設備層控制設備層功能是直接控制交直流電機的變頻器、矢量控制器、伺服控制器、直流調速裝置，以及PLC控制器、可編程調節器、傳感器等。現場總線層現場總線層功能是將所有的設備連接起來，通過總線協議進行設備之間的通訊，實現對設備的控制和數據交換，設備控制方式可以采用主從站方式和觸摸屏設定及人工控制等方式。工業以太網層工業以太網層 該

6、層主要完成的工作是任務控制、調度和管理，還可以與上層公司或總部進行數據傳輸，接受任務和上報生產狀況 。華南理工大學9.3.2 9.3.2 現場總線現場總線現場總線是20世紀80年代中期在國際上發展起來的新技術。它是應用于生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通訊的底層控制網絡。現場總線負責設備的通信與控制，它的數據傳輸速度和可靠性決定了網絡運動控制系統的有效性，是整個系統的關鍵部分。因此，現場總線的研究與開發是網絡運動控制系統的應用的重要工作。 華南理工大學現場總線是用于過程控制現場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、雙向的多站數字通

7、信系統。隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的發展，以全數字式現場總線（FIELDBUS）為代表的互聯規范，正在迅猛發展和擴大。由于采用現場總線將使控制系統結構簡單，系統安裝費用減少并且易于維護；用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現場設備達到最佳的系統集成等一系列的優點，現場總線技術正越來越受到人們的重視。 華南理工大學現場總線的種類主要有現場總線的種類主要有基金會現場總線基金會現場總線FFProfiBusWorldFIPControlNet/DeviveNetCANHART 重點介紹基于重點介紹基于PROFIBUSDP現場總線現場總線和和CAN總線及其在網絡運動控制系統中的應用總線及其在

8、網絡運動控制系統中的應用 華南理工大學9.3.3 PROFIBUS9.3.3 PROFIBUS現場總線現場總線pPROFIBUS現場總線概述現場總線概述 p基于基于PROFIBUSDP現場總線的多機調速系統現場總線的多機調速系統華南理工大學9.3.3.1 PROFIBUS9.3.3.1 PROFIBUS現場總線概述現場總線概述PROFIBUS現場總線最早是由德國西門子公司開發的專用總線，公開后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線。PROFIBUS現場總線系列p PROFIBUSDPDP型用于分布式外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域的應用 p PROFIBU

9、S-FMSFMS意為現場信息規范，PROFIBUSFMS適用于紡織，樓宇自動化，可編程控制器，低壓開關等 p PROFIBUSPA用于工程自動化的總線 華南理工大學主 站從 站從 站從 站從 站從 站主 站主 站PROFIBUSDP的總線結構PROFIBUSDP總線最多可以連結127個站，用雙絞線傳輸的最大距離為9km，用玻璃光纖傳輸的最大距離可以達到90km，傳輸波特率為9.6K-12M bit/s。 PROFIBUSDP具有傳輸速度快、連接方便等優點，特別適用于多機調速系統。DP型用于分布式外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域的應用。華南理工大學9.3.3.2 9.3.3.2 基于基

10、于PROFIBUSPROFIBUSDPDP現場總現場總線的多機調速系統線的多機調速系統 可 編 程 控 制器S 7 4 1 6 2 D P驅 動 n驅 動 2驅 動 1P R O F I B U S - D PM1M2M3H M I華南理工大學9.3.4 CAN9.3.4 CAN現場總線及在網絡運動控制現場總線及在網絡運動控制系統中的應用系統中的應用 u9.3.4.1 CAN現場總線概述現場總線概述u9.3.4.2 CAN現場總線在電梯群控中的應用現場總線在電梯群控中的應用華南理工大學9.3.4.1 CAN9.3.4.1 CAN現場總線概述現場總線概述CAN（Controller Area N

11、etwork）現場總線最初是由德國的BOSCH汽車公司為汽車檢測和控制系統設計的。由于CAN總線具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性能價格比高等諸多的優良特點，其應用已經不再局限于汽車行業而是逐步走向過程控制、機械工業、機器人、數控機床等等，且已經形成了國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。CAN是一個多主機局部網，它的串行通信鏈路采用一條多個單元均可連接的總線。理論上，單元數目可以無限增加，實際上受到延遲時間和總線電氣負載的限制，單元數目只能控制在百余個。總線可以用多種方法實現，如差分驅動平衡雙絞線、單線（加地線）、光纖等。 華南理工大學一個典型的一個典型的CANCAN總線智能

12、節點總線智能節點 華南理工大學9.3.4.2 CAN9.3.4.2 CAN現場總線在電梯群控中的現場總線在電梯群控中的應用應用基于CAN總線的電梯控制系統門廳呼梯信號、轎廂目的樓層登記信號等采用的門廳呼梯信號、轎廂目的樓層登記信號等采用的是是CAN現場總線通信方式。現場總線通信方式。 安全回路、變頻器和門機系統等重要的、時間延遲容忍度較小的信號是采用并行I/O直接連接到系統控制主板的方式。華南理工大學電梯控制系統電梯控制系統CANCAN總線連接方式總線連接方式華南理工大學單臺電梯雖然能完成運送乘客的任務，但是不能滿足大客流量的需求。較高層的建筑物都是幾臺電梯同時工作，為了提高這些電梯的效率，減

13、少乘客等待的時間，必須對這些電梯進行協調控制，即構成網絡狀態的電梯群控系統。華南理工大學基于基于CANCAN總線的電梯群控制的系統總線的電梯群控制的系統結構結構 前面所講的基于CAN總線的電梯控制系統增加群控制接口群控制程序接受群控制程序接受到各單梯數據后，通過到各單梯數據后，通過分析、計算，決定出針分析、計算，決定出針對每個呼梯信號的最適對每個呼梯信號的最適宜的電梯進行相應的動宜的電梯進行相應的動作。作。 電梯群控制的目的是尋求優化控制策略，利用網絡化運動控制的優勢，優化調度多部電梯以提高電梯的運行效率和服務質量。 華南理工大學在我們介紹的電梯群控系統中，采用的是2級CAN總線通信網絡。如果所有電梯群內電梯呼梯盒連成一個大網絡，在網絡內的通訊量將大大增加，很有可能導致響應延遲，因此將每臺電梯內部呼梯盒間構成一個完整的CAN網絡，在不采用群控技術