基于LonWorks技术的网络化电机控制设计

林伟杰,黄越雯,王瑞荣

(杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310018)

0 引 言

传统的电机控制系统体系结构存在较多缺陷,如结构封闭、不支持网络通信等,导致不同的控制器或不同的控制系统之间相互孤立,造成系统升级过程中大量资源浪费。另一方面,随着工业产业的快速发展,对生产机械的性能和产品质量的要求不断提高,仅实现对单台电机的控制在某些场合已不适合要求,而是需要同时控制多台电机,保证其协调运行。LonWorks总线技术由美国Echelon公司1991年推出,主要应用于楼宇自动化、工业自动化、交通运输和电力行业等。LonWorks总线支持不同类型的网络拓扑结构和通信传输介质。LonWorks技术的最大特点是将通信协议内置到神经元芯片中,而且,Echelon公司为设计和实现可互操作的LonWorks控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径,大大方便用户开发LonWorks控制设备或设计LonWorks控制网络[1]。本文主要结合LonWorks技术的特点,设计了LonWorks网络电机控制器的硬件和软件,并且基于LonWorks网络的DDE功能,设计了上位机监控软件,实现对多台步进电机的运行状态的监控,达到网络化电机控制的基本功能。

1 系统构成

基于LonWorks技术的网络化电机控制系统如图1所示,主要由上位机、iLON600、LonWorks智能节点、电机驱动器及电机组成。iLON600是Echelon公司推出的从LonTalk到IP的路由器,通过它可以方便地将LonWorks现场总线与Internet网络集成。上位机的主要任务包括：一方面,集中监视与管理整个LonWorks网络控制系统,分析与检测智能节点间的通信状况;另一方面,实时进行与智能节点之间的数据交换、显示、报警、操作、参数设定等。LonWorks智能节点在整个系统中担任非常重要的角色,其主要任务是控制信号实时输出、LCD显示、存储运行数据及与上位机进行数据交换,并将状态与报警信号等数据传入上位机。智能节点可以根据控制网络的特点进行分散布置,每个节点一方面输出其控制指令,另一方面通过LonWorks总线与其他节点之间进行信息传输,实现分布式控制。

2 LonWorks电机控制节点设计

通常,LonWorks智能节点有两种结构：以神经元芯片为核心的控制设备和基于其他处理器的Host-Base结构。根据课题的需要,节点输出电机驱动器的指令信号,故采用神经元芯片作为主处理器构建智能节点。

图1 系统组成

2.1 硬件设计

智能节点的硬件组成如图2所示。神经元芯片是节点的核心,内嵌了LonTalk通信协议,芯片内部包含3个CPU：MAC处理器、网络处理器和应用处理器。神经元芯片采用TMPN3150,芯片内部有512kB的EEPROM,2kB的RAM,没有片内ROM,但有访问外部存储器的接口,最大寻址空间64kB[2],图2中的AT29C256即为外部程序存储器。

FTT-10A收发器是Echelon公司生产的自由拓扑双绞线收发器,神经元芯片通过它与LonWorks总线连接。FTT-10A收发器内部包含一个隔离变压器,一个曼彻斯特编码通信收发器,信号处理器件,采用厚膜电路集成在一个芯片中。通信速率78kbps,最长通信距离2 700m。FTT-10A与TMPN3150的连接如图3所示。

图2 LonWorks智能节点硬件组成

图3 FTT-10A收发器接口

本文中采用步进电机作为执行器件,而电机驱动器的输入信号主要有脉冲CP、方向信号CW/CCW。TMPN3150的工作电源为+5V,硬件设计时IO6脚输出CP信号,IO7脚输出方向信号,可与电机驱动器的输入端直接连接,如图4所示。

图4 电机驱动器接口

2.2 软件设计

智能节点软件流程如图5所示。主要包括初始化、IO引脚定义、网络变量定义及事件处理程序。Echelon公司为开发LonWorks控制设备提供了NodeBuilder软件工具。设备的应用程序采用Neuron C编写[3]。与ANSI C不同,Neuron C中不再使用main()函数结构,而是采用事件驱动方式,即用when()语句和函数组成可执行对象。

图5 LonWorks智能节点软件流程

3 上位机软件设计

上位机软件设计主要包括两个方面：一方面要利用LonWorks组网工具将设计好并完成物理连接的LonWorks控制网络进行逻辑连接,实现LonWorks网络与TCP/IP网络的集成;另一方面,利用高级编程软件设计LonWorks网络的监控软件。

3.1 组网

Echelon公司为用户组建和使用LonWorks控制网络提供了LonMaker集成工具和LNSDDE Server软件包。LonMaker以LNS网络操作系统为基础,集成功能强大的客户-服务器体系结构和方便使用的Microsoft Visio界面,为用户组建LonWorks控制网络的逻辑连接提供便利条件[4]。LNS DDE Server允许任何DDE的Microsoft Windows应用程序监控LonWorks网络,如人机界面应用程序、数据记录和趋势分析应用程序以及图像处理显示[5]。通过建立LNS和Microsoft DDE的连接,Windows应用程序可以和Lon-Works控制设备进行交互网络变量、配置信息和应用程序消息等。

3.2 监控软件设计

本文中采用组态王设计上位机监控软件。组态王是北京亚控自动化软件科技有限公司推出的一款适合工控场合、功能强大的组态软件产品,具有组态和二次开发功能,易使用的图形画面技术,支持与多种I/O设备的通讯,并提供大量的系统配置及开发工具,非常适合工控场合的现场监控应用[6]。监控软件主要包括4个方面：通信连接、建立变量数据库、界面设计、程序编制。

(1)通信连接

组态软件通过DDE方式与LonWorks设备通信,因此需要对组态软件的DDE设置服务程序名和话题名,数据交换方式必须选择标准Windows DDE交换。

(2)变量数据库

在组态软件中定义需要使用的IO变量和内存变量。其中,IO变量要与LonWorks智能节点软件中定义的输入输出网络变量一一对应。

(3)界面设计

组态王为界面设计提供很多的图形库,而且用户也可以调入在其他图形软件中设计完成的位图来设计人机界面。根据系统实际需要创建静态或动态的画面,并确定画面间的切换流程。

(4)程序编制

主要包括转速调整子程序、单步执行子程序、转向控制子程序、界面动画的变量处理等。

4 结束语

本文完成了基于LonWorks现场总线技术的网络化电机控制系统,主要设计了LonWorks智能节点的硬件和软件,并设计了上位机的监控软件,能够实现对多电机转向、转速的群控。

[1] 高安邦,孙社文,单洪.LonWorks技术开发与应用[M].北京：机械工业出版社,2009：3-6.

[2] Toshiba Corporation.TMPN3150 NeuronChip for Distributed Intelligent Control Networks[M].New York：TOSHIBA Corporation,2006：1-6.

[3] Echelon Corporation.Neuron C Programmer's Guide[M].California：Echelon Corporation,2003 ：2-13.

[4] Echelon Corporation.LonMaker User's Guide[M].California：Echelon Corporation,1995：7-11.

[5] Echelon Corporation.LonManager DDE Server User'sGuide[M].California：Echelon Corporation,1995 ：5-7.

[6] 亚控科技.组态王6.5使用手册[M].北京：北京亚控科技发展有限公司,2004：1-28.