浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院　李方園

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西門子PLC的工程應(yīng)用系列講座
第3講 西門子PLC與施耐德電氣變頻器在復(fù)合機上的應(yīng)用

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院李方園

摘要：PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的通訊協(xié)議，有較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信。本文主要闡述了西門子PLC與施耐德電氣變頻器在復(fù)合機上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：西門子PLC；復(fù)合機；變頻器；PROFIBUS

1　概述

PROFIBUS是目前工控系統(tǒng)中最成功的現(xiàn)場總線之一，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，比如PLC與變頻器的通訊就可以采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。PROFIBUS是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口協(xié)議進行信息的交換；它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對時間要求苛刻的自動化控制系統(tǒng)中。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)可使許多現(xiàn)場設(shè)備（如PLC、變頻器、智能變送器等）在同一總線進行雙向多信息數(shù)字通訊，因此可方便地使用不同廠家生產(chǎn)的控制系統(tǒng)相互連接成通訊網(wǎng)絡(luò)。

2　復(fù)合機中變頻器與PLC的配置

復(fù)合機是紙塑加工中的重要設(shè)備，所謂復(fù)合是指通過某種工藝方法，將兩種或兩種以上的材料層合在一起，形成新的一體材料，經(jīng)過復(fù)合后的材料一方面保持原有材料的優(yōu)點，另一方面還能彌補彼此的缺點。常見的復(fù)合方法主要有干式復(fù)合法、濕式復(fù)合法、熱熔復(fù)合法、擠出復(fù)合法和無溶劑復(fù)合法。

干式復(fù)合機的原理如圖1所示，薄膜或紙張的卷筒通過第一放卷機構(gòu)的放卷架，進入上膠牽引輥，然后在復(fù)合控制箱中進行加熱處理，再與另外一層材料（由第二放卷機構(gòu)控制）進行復(fù)合，最后由收卷機構(gòu)進行收卷。

圖1　復(fù)合機簡圖

復(fù)合機的組成部分包括第一放卷機構(gòu)、第二放卷機構(gòu)、上膠電機（從動）、復(fù)合電機（主動）及收卷機構(gòu)，其工藝要求主要是：速度平穩(wěn)，一般能在10～150m/min的控制范圍內(nèi)平穩(wěn)起停；張力均衡，通過控制第一放卷段張力、第二放卷段張力、烘箱段張力及收卷段張力，保證最終收卷張力在50～250N之間，以保證適應(yīng)不同的復(fù)合基材；幅寬可調(diào)，在最小幅寬～最大幅寬之間根據(jù)復(fù)合材料的不同可自由調(diào)節(jié)。

在復(fù)合機控制中，放卷和收卷通常采用專用的磁粉離合控制，而上膠電機和復(fù)合電機則由變頻器控制，即變頻器1控制上膠、變頻器2控制復(fù)合。圖2所示為采用PROFIBUS總線控制的復(fù)合機控制系統(tǒng)。其中PLC采用西門子S7-315 DP CPU，而變頻器則采用施耐德電氣ATV-312，兩者之間采用通訊卡進行連接，如圖3所示。戶完成PROFIBUS的簡單組態(tài)，通常把包含特定設(shè)備性能參數(shù)的電子表格稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，即GSD文件?；贕SD文件的組態(tài)工具允許將不同供應(yīng)商的設(shè)備簡單地集成到一個單一網(wǎng)絡(luò)中。

圖2　采用PROFIBUS總線控制的復(fù)合機控制系統(tǒng)

圖3　通訊卡外觀

PROFIBUS-DP 網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊速率可以從9600kbps到12Mbps。采用主從令牌方式通訊。使用中繼器可以接入126個從站。每個中繼器可接入32個從站，傳輸介質(zhì)使用雙絞屏蔽電纜，如圖4所示。

設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件以精確的格式提供對設(shè)備特性的全面描述。這些GSD文件是供應(yīng)商為每種類型設(shè)備而準(zhǔn)備并提供給PROFIBUS用戶的。GSD文件能使組態(tài)系統(tǒng)讀入PROFIBUS設(shè)備的特性，并在組態(tài)系統(tǒng)時利用這個信息。標(biāo)準(zhǔn)化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制級。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中，既簡單又對用戶友好。

GSD文件一般可以分為以下三個部分：

（1）一般規(guī)范。這部分包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備的名稱，硬件和軟件的版本狀況，支持的波特率以可能的監(jiān)視時間間隔以及總線插頭的信號分配；

（2）與DP主站有關(guān)的規(guī)范。這部分包括只運用于DP主站的各項參數(shù)（如連接從站的最多臺數(shù)或上裝和下裝能力）。這一部分對從站沒有規(guī)定；

（3）與DP從站有關(guān)的規(guī)范。這部分包括與從站有關(guān)的一切規(guī)范（如輸入/輸出通道的數(shù)量和類型、中斷測試的規(guī)范以及輸入/輸出數(shù)據(jù)一致性的信息）。

在西門子S7系列的PLC組態(tài)中，需要將變頻器DP網(wǎng)卡的GSD文件復(fù)制到STEP 7安裝目錄下的“STEP 7/S7DATA/GSD”路徑下，然后執(zhí)行“UPDATE CATALOG”操作，在“CATALOG”的“PROFIBUS-DP/Additional Field Devices/Geteway”路徑中選擇ATV-312 變頻器，即可進行組態(tài)，如圖5和圖6所示。圖7為ATV-312變頻器的通訊參數(shù)設(shè)置。

圖4　PROFIBUS-DP接線

3　在STEP7中配置ATV-31變頻器

PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特點，如I/O信號的數(shù)量、診斷消息、總線傳輸速度和時間監(jiān)視等，這些參數(shù)對每個設(shè)備類型和供應(yīng)商來說都是不同的，而且通常匯編在技術(shù)手冊內(nèi)。為了幫助用

圖5　配置ATV-312變頻器GSD后的STEP 7環(huán)境一

圖6　配置ATV-312變頻器GSD后的STEP 7環(huán)境二

圖7　ATV-312變頻器的通訊參數(shù)設(shè)置

4　PPO通訊方式控制ATV-312

PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線主站和從站的數(shù)據(jù)通訊遵循IEC 61158/DIN EN 50170/2標(biāo)準(zhǔn)。在復(fù)合機控制中，S7-300 PLC作為主站，ATV-312變頻器作為從站時，主站向變頻器傳送運行指令，同時接受變頻器反饋的運行狀態(tài)及故障報警狀態(tài)的信號。

通訊卡將從PROFIBUS-DP網(wǎng)中接收到的過程數(shù)據(jù)存入雙向RAM中，每一個字都被編址，在變頻器端的雙向RAM可通過被編址參數(shù)排序，向ATV-312變頻器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實際值、診斷信息等參量。

變頻器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)若從軟件角度看，其核心內(nèi)容是現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議。PROFIBUS-DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)電報結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即PPO包括參數(shù)值PKW及過程數(shù)據(jù)PZD。參數(shù)值PKW（Parameter Code Value）是變頻器運行時要定義的一些功能碼，用于讀寫參數(shù)值。過程數(shù)據(jù)PZD （Process Date）是變頻器運行過程中要輸入/輸出的一些數(shù)據(jù)值，包括控制字、設(shè)定值、狀態(tài)字和實際值，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值等。

將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)這樣分類定義的目的，是為了完成不同的任務(wù)，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨立工作，從而使變頻器能夠按照上一級自動化系統(tǒng)的指令運行。每一幀報文被稱為PPO （Parameter Process Data Object）。PPO共有5種方式，如表1所示。

表1　PPO方式控制字

表1中，PKW 參數(shù)識別值；PZD 過程參數(shù)；PKE 參數(shù)標(biāo)識；IND 變址；PWE 參數(shù)值；STW 控制字；ZSW 狀態(tài)字；HSW 主設(shè)定值；JSW 主實際值。

如采用PPO3方式，由于只有2個PZD的字。因此當(dāng)主站向從站發(fā)命令時，PZD1通常定義為控制字，PZD2定義為某個設(shè)定值。從站向主站返回狀態(tài)時，PZD1是狀態(tài)字，PZD2是某個實際值。當(dāng)需要更多的返回值時，就必須使用PPO4或PPO5的方式。

ATV-312 變頻器的控制邏輯如圖8所示。

圖8　ATV-312　變頻器的控制邏輯

當(dāng)變頻器上電后，即進入“Disable”，其狀態(tài)字（EAT）為XX40H，對其發(fā)命令0006H，則進入“Shutdown”狀態(tài)，其狀態(tài)字為XX21H；再發(fā)命令0007H，則進入“Ready”狀態(tài)，其狀態(tài)字為XX23H；這時，發(fā)命令000FH，變頻器使電機正轉(zhuǎn)，發(fā)命令080FH，變頻器使電機反轉(zhuǎn)，狀態(tài)字都是XX27H。

當(dāng)電機運行后，有3種方式使電機停止運行，其中快停，進入“Shutdown”狀態(tài)和進入“Disable”狀態(tài)。發(fā)命令000BH后，使電機進入快停狀態(tài)，狀態(tài)字是XX07H。

5　結(jié)語

綜上所述，當(dāng)接好線路和PLC組態(tài)完畢后，在復(fù)合機中ATV-312變頻器和S7-300PLC的通訊，實際上是一個按照所定義的PPO通訊方式，利用程序發(fā)送控制字和設(shè)定值，接收狀態(tài)字和實際值的一個過程。

參考文獻：

[1] 周柏青, 李方園. PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 中國電力出版社. 2015.

[2] 李方園, 楊帆.西門子S7 PLC應(yīng)用簡明教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社. 2013.

[3] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實踐[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社. 2011.

作者簡介

李方園（1973-），男，浙江舟山人，高級工程師，畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院工程碩士專業(yè)，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作，現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

Application of Siemens PLC and Schneider Electric Inverter in the Compound Machine

Abstract:The profibus-DP is an optimized communication protocol with a higher data transfer rate, which is suitable to apply in the communication between the system and the external device. This paper describes the application of Siemens PLC and Schneider Electric inverter in the compound machine.

Key words:Siemens PLC; Compound machine; AC inverter; PROFIBUS