石靈丹 槐博超 華 斌 康 樂

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

變頻器由于其應(yīng)用簡便和性能可靠，已經(jīng)成為工業(yè)傳動裝置中首選的電機控制器[1]。現(xiàn)代變頻器采用微計算機數(shù)字控制技術(shù)，提供多種標準工業(yè)通訊接口和內(nèi)置協(xié)議（如：Profibus，Modbus，Devicenet，Canbus等），為變頻器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和遠程監(jiān)控提供了技術(shù)支撐[2]。利用工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)和接口，上一級自動化系統(tǒng)只需要一根電纜線就可以連接上多個變頻器，并通過內(nèi)置協(xié)議來同時控制多個變頻器的運行，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制[3]。

本文以芬蘭偉肯（Vacon）公司的NX系列高性能矢量控制通用變頻器為基礎(chǔ)，研究了西門子（Siemens）公司的S7-300 PLC與NX系列變頻器基于 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的通訊實現(xiàn)，其穩(wěn)定及高可靠性已在筆者所參與的某變頻傳動系統(tǒng)方案驗證試驗中得到了檢驗。為后續(xù)在該傳動系統(tǒng)中利用S7-300PLC實現(xiàn)對多臺變頻器的集中監(jiān)控奠定了堅實基礎(chǔ)。下面介紹在實現(xiàn)通訊過程中硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置及源程序編寫的主要過程。

1 網(wǎng)絡(luò)通訊原理

1.1 Profibus-DP通訊協(xié)議及原理

Profibus是一種應(yīng)用較為廣泛的現(xiàn)場總線，它滿足了工業(yè)過程數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，是國際標準IEC61158的重要組成部分。Profibus提供了 Profibus-DP、Profibus-FMS和 Profibus-PA三種通訊協(xié)議類型。Profibus-DP采用了ISO/OSI的七層通訊標準模型中的第一層和第二層，結(jié)構(gòu)精簡，確保了網(wǎng)絡(luò)的高傳輸速率。Profibus-DP特別適用于PLC與現(xiàn)場級分布式I/O設(shè)備之間的通訊。Profibus-DP使用RS485傳輸技術(shù)，傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽雙絞線和光纖等。使用屏蔽雙絞線的傳輸速率從9.6 Kbit/s～12 Mbit/s，隨著通訊速率的增加，傳輸距離也相應(yīng)地從1200 m降為100 m。本文中變頻器與西門子PLC之間的通訊是基于Profibus-DP技術(shù)的。

1.2 變頻器的數(shù)據(jù)通訊

在Profibus通訊環(huán)境下，變頻器與PLC之間總是按照主從模式進行的，PLC作為主站，各個變頻器均作為從站，各站點都有明確的地址。文中偉肯變頻器通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與PLC的接口是由偉肯公司的Profibus OPT-C3 選件板來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，西門子PLC則是通過CPU上面的DP口來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Profibus主、從站的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

在變頻器與與主站PLC的周期性的通訊中，Profibus-DP選用PPO（Parameter/Process Data Objects）類型作為數(shù)據(jù)傳遞格式，PPO是通訊對象。不同的PPO類型有著不同的數(shù)據(jù)格式，PPO由參數(shù)區(qū)PKW和過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD構(gòu)成。參數(shù)區(qū)和過程數(shù)據(jù)區(qū)相互獨立，各自完成不同的任務(wù)。參數(shù)區(qū)用于讀取或設(shè)置變頻器的參數(shù)，如設(shè)置變頻器給定頻率，控制變頻器啟動、停止等。過程數(shù)據(jù)區(qū)用于讀取或設(shè)置數(shù)據(jù)值，如頻率給定值、速度反饋值等。根據(jù)有無參數(shù)區(qū)及過程數(shù)據(jù)區(qū)的長短將PPO分為五種不同的類型[4]。PPO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中每一個空格代表一個字(Word)，其中參數(shù)區(qū)包括：ID——參數(shù)標識；IND——參數(shù)子索引；VALUE——參數(shù)值；過程數(shù)據(jù)區(qū)包括：CW——控制字；SW——狀態(tài)字；REF——給定值(主站到從站)；ACT——實際值(從站到主站)；PZD 3～PZD 10——過程數(shù)據(jù)(由用戶自行確定)。

在本系統(tǒng)中，由于要讀取的變量較多，所以選擇了 PPO5作為變頻器和 PLC的數(shù)據(jù)傳輸格式。由于過程數(shù)據(jù)已經(jīng)能滿足通訊過程中指令讀寫的需要，參數(shù)區(qū)PKW不需要，在此用0表示。

圖2 PPO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下面主要介紹過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD。主站給從站的任務(wù)報文中的控制字CW每一位的含義如圖3所示。通過設(shè)置控制字相關(guān)的位就可以對變頻器進行啟、停，故障復(fù)位等操作。主站到從站的給定值 REF，通常用作速度參考，允許的比例為–10000...10000。在應(yīng)用中，這個值被變換為最小和最大頻率之間的百分比。如：–10000代表反向，給定頻率為最大頻率的100,00 %。另外，過程數(shù)據(jù)PZD3～PZD 10在任務(wù)報文中無意義。

從站給主站的應(yīng)答報文中狀態(tài)字SW每一位的含義如圖4所示。通過狀態(tài)字的相關(guān)位可以讀取通訊過程是否故障和有無警告等信息。實際值A(chǔ)CT是來自變頻器的實際值，通常用作速度參考，與任務(wù)報文中的給定值REF相對應(yīng)。應(yīng)答報文中的過程數(shù)據(jù)PZD3～PZD 10分別對應(yīng)：輸出頻率，電機速度，電機電流，電機轉(zhuǎn)矩，電機功率，電機電壓，直流環(huán)節(jié)電壓，當(dāng)前故障代碼。PZD3～PZD 10的定義可以通過偉肯的NC-Drive軟件方便地修改。圖5為在NC-Drive中修改各通訊字PZD3～PZD 10對應(yīng)的Value（即其對應(yīng)的ID值）的操作界面。

圖3 控制字CW位描述

圖4 狀態(tài)字SW位描述

圖5 通過NC-Drive修改通訊字

2 系統(tǒng)硬、軟件配置

該系統(tǒng)有硬件和相應(yīng)的軟件構(gòu)成。

硬件配置為：PC機，Profibus-DP主站Siemens PLC-300（CPU-315 2DP），直流電源模塊，16通道的數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊各一個， 8M存儲卡一個，編程線纜一根，Profibus通訊線，帶有Profibus通訊接口的偉肯NX系列變頻器一臺。

軟件配置為：SIMATIC Step 7 V5.4，NC-Drive,NC-61131-3，變頻器GSD文件。Step 7用于對西門子 PLC進行編程；NC-Drive用于變頻器運行調(diào)試；NC-61131-3用于對變頻器的部分功能進行二次開發(fā)；變頻器的GSD文件應(yīng)安裝在Step7S7DATAGSD下，這樣才能在Step 7中對變頻器進行組態(tài)。

3 變頻器與PLC的通訊實現(xiàn)

3.1 主站組態(tài)

在本系統(tǒng)中，西門子S7-300 PLC為主站。組態(tài)過程：打開Step7，在PLC項目下新建一個工程。點擊右鍵，插入S7-300“SIMATIC 300 Station”；雙擊“Hardware”選項，進入“HW Config”窗口，點擊“Catalog”圖標打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號依次插入機架、電源、CPU、通訊模塊、輸入、輸出模塊；插入CPU模塊后會同時彈出Profibus組態(tài)界面，地址定義為2，點擊“Properties”按鈕組態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性，將傳輸速率設(shè)置為1.5 Mbps，行規(guī)為DP。

3.2 從站組態(tài)

偉肯的NX系列變頻器作為從站，首先通過變頻器的操作面板將變頻器的控制方式設(shè)置為總線控制，并定義變頻器的地址為 5。在這里我們選定PPO5作為通訊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在 Step7中打開所建立的 PLC工程，進入“HW Config”窗口，點擊“Catalog”圖標打開硬件目 錄 ， 在 Profibus-DPAdditional Field DeviceVacon NX中拖動“Vacon PPO5”到Profibus總線上，然后再設(shè)置從站地址為 5，傳輸速率設(shè)置為 1.5Mbps，與操作面板上設(shè)置的參數(shù)一致，組態(tài)如圖6所示。圖7為參數(shù)區(qū)PKW和過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD的組態(tài)地址。

圖6 主站、從站的硬件組態(tài)

圖7 PPO5參數(shù)和過程數(shù)據(jù)區(qū)輸入/輸出組態(tài)地址

3.3 通訊程序的編寫

（1）建立數(shù)據(jù)塊

首先建立數(shù)據(jù)塊DB3、DB4(數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)地址應(yīng)與變頻器從站中的PZD、PKW數(shù)據(jù)區(qū)相對應(yīng))。其中DB3為發(fā)送數(shù)據(jù)存儲區(qū)，DB4為接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)，如圖8、圖9所示。

（2）對過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD的讀寫

Step7中對PZD（過程數(shù)據(jù)）讀寫時需要調(diào)用特殊功能塊SFC14 和SFC15[5]。在建立好數(shù)據(jù)塊后即可在OB1中分別調(diào)用通訊功能塊SFC14和SFC15來完成對PKW、PZD數(shù)據(jù)的讀寫。其中SFC14（“DPRD_DAT”）用于讀取Profibus-DP從站(變頻器)的數(shù)據(jù)；SFCl5（“DPWR_DAT”）用于將數(shù)據(jù)寫入到Profibus-DP從站(變頻器)中。

圖8 DB3數(shù)據(jù)塊

圖9 DB4數(shù)據(jù)塊

下面以偉肯變頻器從站為例簡單介紹PLC與變頻器通訊程序的編寫方法，程序的編寫主要包括對PKW及PZD數(shù)據(jù)的讀寫，其中設(shè)定值、控制字及變頻器反饋數(shù)據(jù)存在PZD區(qū)， PKW區(qū)在此不需要，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置0即可。

對變頻器的寫入操作：根據(jù)控制字CW和給定值 REF的定義，要使變頻器正向啟動并保持1500 r/min（即50 Hz）運行，應(yīng)該發(fā)送047FH到控制字CW，2710H到給定值REF，程序如圖10所示。其中：LADDR表示硬件組態(tài)時 PKW 或PZD的起始地址（這里 W#16#100即 256表示PKW起始地址，W#16#108即264表示PZD起始地址）；RECORD表示數(shù)據(jù)塊DB中定義的PKW或PZD數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)的地址；RET_VAL表示狀態(tài)字，反映程序運行錯誤等狀態(tài)。當(dāng)按下啟動按鈕，047FH、2710H傳至DB3中對應(yīng)的DB3.DBW8，DB3.DBW10，盡管不需要 PKW，但是還是要將PKW發(fā)送給變頻器，這里從DB3.DBW0開始的4個字都為默認值 0。通過 DPWR_DAT模塊將DB3中從DB3.DBW0開始的6個字（包括PKW和PZD）發(fā)送給變頻器。需要注意的是PKW和PZD不能一起打包發(fā)送，必須分開獨立發(fā)送，否則通訊會出現(xiàn)錯誤。

對變頻器的讀取操作：根據(jù)狀態(tài)字SW和實際值A(chǔ)CT以及PZD3～PZD 10的定義，我們利用DPRD_DAT模塊可以實時讀取變頻器運行狀態(tài)。程序如圖11所示。程序中同樣也是分別將PKW和PZD讀取出來并存儲在DB4中。

運行結(jié)果：通過 Step7建立要觀察的數(shù)據(jù)變量，我們查看了變頻器正向啟動并以1500 r/min運行時的狀態(tài)，如圖 12所示。至此完成了通過PLC對變頻器進行啟動/停止，頻率給定，故障復(fù)位，參數(shù)修改等操作，使S7-300 PLC與偉肯NX系列變頻器基于 Profibus-DP的通訊得以實現(xiàn)。經(jīng)過驗證，系統(tǒng)通訊控制效果良好，可靠，穩(wěn)定性高，滿足了系統(tǒng)方案設(shè)計的需求。

圖10 變頻器正向啟動并以1500 r/min運行的程序

圖11 讀取變頻器運行狀態(tài)并存儲到DB4中的程序

圖12 變頻器正向啟動運行的狀態(tài)監(jiān)視

4 結(jié)束語

將Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于變頻控制系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)I/O方式，減少了現(xiàn)場電纜的數(shù)量和接線工作量，大大提高了可靠性，同時實現(xiàn)了對變頻器的遠程監(jiān)控和故障診斷，系統(tǒng)組態(tài)靈活，擴展性好。

通過這次的開發(fā)調(diào)試工作，對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及西門子PLC、偉肯變頻器有了更深入的了解，為以后的設(shè)計工作積累了經(jīng)驗，對于從事相關(guān)工程設(shè)計的技術(shù)人員也具有一定的參考價值。相信隨著Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，功能不斷增強，其在工業(yè)傳動及控制領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛。

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[1]吳志平. 基于 Profibus的控制系統(tǒng)在滌綸生產(chǎn)傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 通用機械, 2008,（7）: 77～79.

[2]王殿睿. 西門子 PLC與變頻器通訊的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù), 2008，（3）: 52～54.

[3]張素文，賀凱歌. 基于 PROFIBUS-DP的 PLC與FR-A740交流變頻器通訊的實現(xiàn)[J]. 變頻器世界，2008，（5）: 91～94.

[4]偉肯（蘇州）電氣傳動有限公司. Profibus中文手冊C3_C5 [Z].蘇州: 2002.

[5]吉順平等. 西門子 PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008: 296～298.