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Devicenet 作为基于现场总线技术的工业标准开放网络,为简单的底层工业装置和高层如计算机、PLC等设备之间提供连接。DeviceNet应用的控制局域网（CAN）协议,具有公开的技术规范和价廉的通信部件,使得其具有比其他现场总线低得多的开发费用。设备网采用总线供电方式,提供本质安全技术,广泛适用于各种高可靠性应用场合。

本文主要研究基于Devicenet的伺服系统的软硬件设计。通过CAN总线、单片机和高性能电机控制器ADMC401进行数据传输与控制，使伺服电机的性能更加稳定,能更好更灵活地地应用于数控系统中。

CAN总线和Devicenet协议的实现

CAN总线协议及特点

控制器局域网CAN为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用 CAN。在汽车电子行业中，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1Mbps。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配线装置。由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点概括如下[1]:

l CAN为多主方式工作，网络上任一节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从;

l 在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据快可在134us内得到传输;

    l CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发出信息出现冲突时，优先级较低的节点主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下，不会出现网络瘫痪情况（以太网则可能）。

    Devicenet协议及特点

Devicenet是在1994年由美国的Allen Bredly公司开发的是基于CAN的一种现场总线，实现低成本高性能的工业设备的网络互连。DeviceNet协议特别为工厂自动控制而定制，它在美国和亚洲扮演了非常重要的角色。在欧洲，越来越多的系统方案使用DeviceNet来实现。

Devicenet 规范在2002年12月被国家标准化管理委员会批准为中国的国家标准，于2003年4月开始实施。DeviceNet协议适用于低层的现场总线，例如: 过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。DeviceNet具有多种特点[2]:

l Devicenet基于CAN技术用于PLC与现场设备之间的通信网络。它可连接开关、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125～500kbps;

l Devicenet 使用的通信模式是:消息产生者（Producer）和消息使用者（Consumer）。传统的通信在消息传送上采用的技术式指定数据源和目标地址。 DeviceNet使用的模型更为有效，它可使控制数据同时到达控制的每一个单元，可以更有效地利用网络的频带宽度。消息产生者一次发送的数据可被多个消息使用者使用，从而更有效的传送数据;

l Devicenet使用的通信协议为11位标识符，即所有的I/O消息都有自己的11位标识符ID，标识符ID分成四个消息组，各有不同用途ID中同时提供了多重优先权。工作时，总线上的设备监听网络上消息，当设备辨识出正确的标识符后，将接受该消息;

l Devicenet上的每一个设备可以随时连接或断开，而不会影响其他设备的正常运行。真正的开放性使系统扩充和改型非常方便。

控制系统的构成

为了实现伺服系统的快速实时控制,系统在设计上采用了单片机+DSP双CPU结构。在设计时将系统控制任务进行了划分:DSP完成实时性要求高的伺服控制任务,FLASH结构的8位单片机89C51完成实时性要求比较低的管理任务,单片机和DSP之间的通讯采用并行数据方式,由FPGA实现。同时FPGA 还要完成外部I/O信号管理、位置脉冲指令信号处理及计数、故障信号处理等功能。伺服控制系统的结构如图1所示。由图1可以看出,系统主要有以下几部分: 伺服控制中心ADMC401;外设接口FPGA+单片机89C51;主电路以及开关电源电路[3]。下面分别说明。

电机控制部分

伺服电机控制电路部分采用高性能电机控制器ADMC401，它是美国模拟器件公司（ADI）推出DSP芯片中的产品。ADMC401是面向电机控制的高性能数字信号处理器,它以ADSP-2171为内核，辅以完备的电机控制外设。其中包括8路12位A/D转换系统、三相16位PWM产生单元、两路辅助 PWM输出及用于位置反馈的增量式码盘接口。另外ADMC401还包括12路数字I/O口、事件捕获单元及内部定时器等设施，为开发快速、高精度的电机控制系统提供了完善的硬件设施。

ADMC401内部提供了2K×24位的内部程序RAM、2K×24位的内部程序ROM和1K×16位的内部数据RAM;程序及数据RAM的内容可由其串口从外部ROM中以同步或异步方式调入。为了满足实际工程的需要，ADMC401还提供了外部存储器的扩展能力，用户多可以直接寻址片外14K×24位的程序存储器和13K ×16位的数据存储器[4]。ADMC401是整个伺服系统的核心,具有高速的运算能力、较高的采样精度,外设配置性能和功能较强,能胜任实时性要求高的伺服控制任务。本系统用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及PWM信号发生、各种故障保护处理等。

系统软件设计

上位机软件设计

上位机主控计算机是整个系统的核心，通过CAN接口卡与CAN总线相连，负责系统的管理、运动规划以及通讯功能。其上位PC机软件设计包括网络管理，参数管理，状态管理三个部分。

l 网络管理设置CAN接口卡工作波特率和本机节点地址，同时初始化CAN控制器SJA1000，以及Devicenet各个对象类，并且检查此网络中是否设置重复的节点地址。因为PC机的CAN卡初始化要涉及CAN卡与PC机的联系工作，所以要对CAN通讯适配卡的各个寄存器进行配置，设置中断向量、通信波特率和滤波接收码以及中断屏蔽字等参数，为正常通讯做好准备工作。另外此部分还要完成扫描网络中的节点，并与从机节点建立连接的功能。DeviceNet是面向连接的网络，两个节点之间首先建立连接然后才能够通讯，本设计中只采用组2的从设备建立连接，其建立连接是通过“分配预定义主/从连接组”来完成的。

l 参数管理完成伺服系统的各个参数字或者控制字的读取修改工作，这些参数包括伺服电机的内部参数Kp、Ki、Kd等以及针对雷达系统的参数:雷达扇扫中心角度、扇扫范围、扇扫速度、手轮方式中的手轮与天线的转速比、运行模式选择（第26号参数，其中0—手轮方式，1—匀速扫描方式，2—扇扫方式，4—接收停方式）。一般情况下，对各个控制字参数的读写操作类似于对各个参数的读写操作。在本设计中为了简化软件设计，我们可以对31号参数的读写操作来完成对16个控制字的读写操作，实现过程如下:第31号参数为控制字参数，是由16个控制字按照STA-15至STA-0顺序组合而成的一个整型数，这样对控制字参数的读写操作的同时也就完成了对16个控制字的读写操作。

l 状态管理能够反应伺服电机当前的运动状态，如实际位置，速度指令，力矩反馈，速度反馈，指令偏差等。这样给我们观察伺服电机当前状态提供了一个直观方便的平台。

下位机软件设计

下位机通信部分的单片机完成I/O数据过程的自动控制作业，包括输入输出数据的解包下发、打包上传，以及故障事件记录、报警等工作。通信卡采用定时中断方式与CAN总线的控制卡节点频繁地交换各自通信缓冲区的数据，以确保系统I/O数据的实时性，同时缩短了整个系统响应时间

并条是纺织过程中的重要工序。并条机自动控制系统主要是单机控制。旧机型多采用仪表加继电器的控制结构,系统的稳定性较差,人为主观因素大,成品率低,产品质量差,系统运行和维护的成本高。即使现在一些**的并条机采用了性能高的PLC控制，但仍然难以实现设备与外界之间的信息交换。这就使单机自动化系统成为典型的“信息孤岛”，为了提高并条工艺的效益我们就必须利用**的自动化技术和信息化技术进行车间的设备改造管理信息化改造。为此,我们采用Profibus-DP现场总线构造并条机控制系统网络,使系统具有开放性高、布线安装方便、运行和维护成本低的优点,同时提高了系统的智能化和自动化程度,使整个系统的控制水平得到了大大的提高。

2 系统要求
某纺织集团有限公司要求在对其并条车间的34台并条机技术改造，不仅增加了各机台的自调匀整功能，而且实现车间的生产调度全集中监控。中央控制室的主计算机上运行的监控软件可以显示整个车间的生产工艺图，动态显示所有设备，仪表的状态及参数等生产流程的监控。对重要参数的进行趋势图跟踪，系统报警等。通过该系统也可以进行现场的设备的控制及对有关的参数进行修改，从而实现企业生产过程地集中调度。

3 系统设计与实现
根据上述要求在选择控制网络的结构时，着重研究了目前流行的DCS和FCS的优、缺点，从实现的可能性、性能价格比、维护的方便程度、系统扩容性等众多方面考查，后选定FCS，以Profibus为基础，用SIEMENS的S7-200系列PLC和WINCC组态软件组成分布式监控网络。
3.1 Profibus-DP现场总线技术
Profibus是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准，1989年成为德国标准DIN19245，1996年成为欧洲标准EN50170，1999年12月被接受为IEC61158的一部分[1]。用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制;使用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。
Profibus遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。PROFIBUS提供了3种协议类型:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。另外，对于西门子PLC系统，PROFIBUS提供了两种优化了的通信方式:S7通信和S5兼容通信[2]。其中PROFIBUS-DP是一种高速、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，使用物理层，数据链接层和用户接口，用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站地输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。此外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。
3.2 系统网络结构
笔者设计的系统网络结构如图1所示。网络采用Profibus-DP网络单主站系统,以配置了CP5613卡的工控机作为上位机实现对系统的监控管理;以CP5613卡作为主站，决定总线的传输速率并分配每个从站网络地址;以34个分布在各个工作现场S7-200PLC (CPU224)作为从站,负责现场的信息采集并向主站发送有关信号,以及具体执行控制命令。S7-200PLC利用EM277 PROFIBUS－DP模块的DP端口同CP5613卡通过屏蔽双绞线相连,构成整个PROFIBUS－DP现场总线网络。另外一个S7-200 PLC作为控制网络中的一个节点(即DP从站)控制一台并条机,它的运行状态并不影响网络及其它节点的运行。而且也用它自带的RS-485接口与TP170相连，以完成对现场设备的控制。TP170与S7-200 PLC采用PPI通信方式，不参与PROFIBUS－DP总线网络。3.3 系统网络监控设计
本控制系统的S7 200PLC编程采用西门子公司的STEP7 MicroWIN4.0软件包，上位机作为控制系统的人机交互接口，安装有西门子公司的SIMATIC WINCC 6.0组态软件，作为中央监控计算机实现对本系统的状态监控、参数设定和报警显示、记录等，并能提供完整的数据统计和各种分析图表。STEP7 MicroWIN4.0软件运行于bbbbbbS环境下，界面友好，编程方便，在线调试直观。组态软件WINCC通过CP5613卡和EM277通信模块实现到S7-200PLC的 Profibus-DP连接。
(１) 组态软件性能
WINCC软件分项目、画面、窗口和目标四级管理;项目数无限制，每个项目多可有1000个画面;每个画面多可包括:100个窗口，256个动态目标，256个可控目标，16个历史操作图，16个当前趋势图，16个报警窗口;支持标记、处方、面板、符号等监控特性;支持9种报警类型;自定义软件扫描周期，本系统设置短为50ms。
(２) WINCC与S7-200之间的Profibus-DP连接
笔者设计得Profibus-DP通信是一主多从的通信方式，WINCC是上位机监控软件，使用WINCC的上位机只能作为主站，所以上位机只能是一台。一般情况通过西门子公司提供的网络集成CP5613卡，在PROFIBUS-DP网络方式下多只能直接连接8个S7-200PLC，因为这时监控软件WINCC只能通过OPC通道与OPC Sever交换数据，而一个OPC Sever只能带8个S7-200PLC。但监控系统共有34套PLC，对于这个问题笔者的解决办法是:通过标准的DP协议进行组建网络，这时要在原来的配置基础上再增加DP-5613 V6.2软件，另外在PC站组态时选择“Application”而不是“OPC Sever”。这样通过下面的介绍的方法就可实现WINCC与S7-200PLC之间的连接。
(３) 把EM277的GSD文件(siem089.gsd)安装到STEP 7-Micro/WIN中
在STEP 7中，点击选项“Options”——“Install New GSD”安装GSD文件。EM277安装后，可以在硬件目录“Profibus DP”——“Addition Field Devices”——“SIMATIC”可找到EM277。
(４) 配置网卡
在项目中插入一个PC STATION，在行插入APPLICATUION，在第四行插入CP5613(此处以CP5613作为DP主站)，并建立Profibus网络，在网上添加EM277作为DP从站。过程如图2所示，配置通信接口区为8字的输入区，8字的输出区，如图3所示。双击图2中EM277，配置EM277的地址偏移量为5000。

西门子SB1232,模拟量信号板, 1AO模块 SIMATIC S7-1200 可扩展的紧凑自动化的模块化概念 SIMATIC S7-1200 具有集成的 PROFINET 接口、强大的集成技术功能和可扩展性强、灵活度高的设计。它实现了简便的通信、有效的技术任务解决方案，并能*一系列的独立自动化需求。亮点可扩展性强、灵活度高的设计信号模块： CPU zui多可连接八个信号模块，以便支持其它数字量和模拟量 I/O。信号板：可将一个信号板连接至所有的 CPU，让您通过在控制器上添加数字量或模拟量 I/O 来自定义 CPU，同时不影响其实际大小。SIMATIC S7-1200 提供的模块化概念可让您设计控制器系统，以*您应用的需求。内存为用户程序和用户数据之间的浮动边界提供多达 50 KB 的集成工作内存。同时提供多达 2 MB 的集成加载内存和 2 KB 的集成记忆内存。可选的 SIMATIC 存储卡可轻松转移程序供多个 CPU 使用。该存储卡也可用于存储其它文件或更新控制器系统固件。集成的 PROFINET 接口集成的 PROFINET 接口用于进行编程以及 HMI 和 PLC-to-PLC 通信。另外，该接口支持使用开放以太网协议的第三方设备。该接口具有自动纠错功能的 RJ45 连接器，并提供 10/100 兆比特/秒的数据传输速率。它支持多达 16 个以太网连接以及以下协议：TCP/IP native、ISO on TCP 和 S7 通信。 SIMATIC S7-1200 集成技术 SIMATIC S7-1200 具有用于进行计算和测量、闭环回路控制和运动控制的集成技术，是一个功能非常强大的系统，可以实现多种类型的自动化任务。

西门子SB1232,模拟量信号板, 1AO模块安装简单方便所有的 SIMATIC S7-1200 硬件都有内置的卡扣，可简单方便地安装在标准的 35 mm DIN 导轨上。这些内置的卡扣也可以卡入到已扩展的位置，当需要安装面板时，可提供安装孔。SIMATIC S7-1200 硬件可以安装在水平或竖直的位置，为您提供其它安装选项。这些集成的功能在安装过程中为用户提供了灵活性，

1 系统概述
MASTERDIVE 家族的6SE70系列变频器包含VC和 MC两种变频器。
MC 专门应用于运动控制系统，广泛应用于精加工行业：车床，印刷，纺织，机械加工等。
使用MC控制器可实现如下功能：
    ?® 速度控制
    ?® 位置控制
    ?® 装置之间的角同步控制
MC中包含模块化的软件设计：
    ?® 强大的自由功能块（包含基本定位功能）
    ?® 工艺软件包F01
MC系统的功率部分与VC的功率部分相同，按照不同装置结构可划分为（见图1）：

图1

其中增强书本型装置，控制板与功率元件为一体，以得到更加紧凑的结构，而书本型装置和装机装柜型装置则拥有独立的电子箱，控制板可以插拔，方便更换。更换书本型或装机装柜型装置的控制板后，操作如下：

图2

2 编码器的使用
MC要实现定位控制，需要使用编码器作为速度和位置的反馈信号。
编码器在安装使用上分为电机编码器，外部编码器。二者可以同时使用，也可以单独使用。
电机编码器，安装在电机轴上，可以测量电机的转速以及电机的位置，同时可以通过机械设备的变比关系，反映出机械设备的位置。
外部编码器，安装在机械设备上，用于检测设备的位置，可以更准确地反映zui终机械设备的位置。
电机编码器需要将编码器板装在C槽。
可以使用的编码器类型，以及编码器接口模板如图3所示

图3