石靈丹 槐博超 華 斌 康 樂(lè)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

變頻器由于其應(yīng)用簡(jiǎn)便和性能可靠，已經(jīng)成為工業(yè)傳動(dòng)裝置中首選的電機(jī)控制器[1]?，F(xiàn)代變頻器采用微計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，提供多種標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)只需要一根電纜線就可以連接上多個(gè)變頻器，并通過(guò)內(nèi)置協(xié)議來(lái)同時(shí)控制多個(gè)變頻器的運(yùn)行，實(shí)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(shí)現(xiàn)，其穩(wěn)定及高可靠性已在筆者所參與的某變頻傳動(dòng)系統(tǒng)方案驗(yàn)證試驗(yàn)中得到了檢驗(yàn)。為后續(xù)在該傳動(dòng)系統(tǒng)中利用S7-300PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)變頻器的集中監(jiān)控奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。下面介紹在實(shí)現(xiàn)通訊過(guò)程中硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置及源程序編寫的主要過(guò)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(chǎng)總線，它滿足了工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模型中的第一層和第二層，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，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(chǎng)級(jí)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(jìn)行的，PLC作為主站，各個(gè)變頻器均作為從站，各站點(diǎn)都有明確的地址。文中偉肯變頻器通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，西門子PLC則是通過(guò)CPU上面的DP口來(lái)實(shí)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(duì)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(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD構(gòu)成。參數(shù)區(qū)和過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)相互獨(dú)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(dòng)、停止等。過(guò)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(wú)參數(shù)區(qū)及過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)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(gè)空格代表一個(gè)字(Word)，其中參數(shù)區(qū)包括：ID——參數(shù)標(biāo)識(shí)；IND——參數(shù)子索引；VALUE——參數(shù)值；過(guò)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(shí)際值(從站到主站)；PZD 3～PZD 10——過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)已經(jīng)能滿足通訊過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD。主站給從站的任務(wù)報(bào)文中的控制字CW每一位的含義如圖3所示。通過(guò)設(shè)置控制字相關(guān)的位就可以對(duì)變頻器進(jìn)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(gè)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(guò)程數(shù)據(jù)PZD3～PZD 10在任務(wù)報(bào)文中無(wú)意義。

從站給主站的應(yīng)答報(bào)文中狀態(tài)字SW每一位的含義如圖4所示。通過(guò)狀態(tài)字的相關(guān)位可以讀取通訊過(guò)程是否故障和有無(wú)警告等信息。實(shí)際值A(chǔ)CT是來(lái)自變頻器的實(shí)際值，通常用作速度參考，與任務(wù)報(bào)文中的給定值REF相對(duì)應(yīng)。應(yīng)答報(bào)文中的過(guò)程數(shù)據(jù)PZD3～PZD 10分別對(duì)應(yīng)：輸出頻率，電機(jī)速度，電機(jī)電流，電機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)功率，電機(jī)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(guò)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(duì)應(yīng)的Value（即其對(duì)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(guò)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(jī)，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(gè)， 8M存儲(chǔ)卡一個(gè)，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(tái)。

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(duì)西門子 PLC進(jìn)行編程；NC-Drive用于變頻器運(yùn)行調(diào)試；NC-61131-3用于對(duì)變頻器的部分功能進(jìn)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(duì)變頻器進(jìn)行組態(tài)。

3 變頻器與PLC的通訊實(shí)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(guò)程：打開Step7，在PLC項(xiàng)目下新建一個(gè)工程。點(diǎn)擊右鍵，插入S7-300“SIMATIC 300 Station”；雙擊“Hardware”選項(xiàng)，進(jìn)入“HW Config”窗口，點(diǎn)擊“Catalog”圖標(biāo)打開硬件目錄，按硬件安裝次序和訂貨號(hào)依次插入機(jī)架、電源、CPU、通訊模塊、輸入、輸出模塊；插入CPU模塊后會(huì)同時(shí)彈出Profibus組態(tài)界面，地址定義為2，點(diǎn)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(guò)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(jìn)入“HW Config”窗口，點(diǎn)擊“Catalog”圖標(biāo)打開硬件目 錄 ， 在 Profibus-DPAdditional Field DeviceVacon NX中拖動(dòng)“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(guò)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(guò)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(duì)應(yīng))。其中DB3為發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，DB4為接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，如圖8、圖9所示。

（2）對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)PZD的讀寫

Step7中對(duì)PZD（過(guò)程數(shù)據(jù)）讀寫時(shí)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(lái)完成對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置0即可。

對(duì)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(dòng)并保持1500 r/min（即50 Hz）運(yùn)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(shí) 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(duì)應(yīng)的地址；RET_VAL表示狀態(tài)字，反映程序運(yùn)行錯(cuò)誤等狀態(tài)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，047FH、2710H傳至DB3中對(duì)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(gè)字都為默認(rèn)值 0。通過(guò) DPWR_DAT模塊將DB3中從DB3.DBW0開始的6個(gè)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(dú)立發(fā)送，否則通訊會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

對(duì)變頻器的讀取操作：根據(jù)狀態(tài)字SW和實(shí)際值A(chǔ)CT以及PZD3～PZD 10的定義，我們利用DPRD_DAT模塊可以實(shí)時(shí)讀取變頻器運(yùn)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(lái)并存儲(chǔ)在DB4中。

運(yùn)行結(jié)果：通過(guò) 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(dòng)并以1500 r/min運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，如圖 12所示。至此完成了通過(guò)PLC對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)/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(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(jì)的需求。

圖10 變頻器正向啟動(dòng)并以1500 r/min運(yùn)行的程序

圖11 讀取變頻器運(yùn)行狀態(tài)并存儲(chǔ)到DB4中的程序

圖12 變頻器正向啟動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)視

4 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎng)電纜的數(shù)量和接線工作量，大大提高了可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，系統(tǒng)組態(tài)靈活，擴(kuò)展性好。

通過(guò)這次的開發(fā)調(diào)試工作，對(duì)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(jì)工作積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于從事相關(guān)工程設(shè)計(jì)的技術(shù)人員也具有一定的參考價(jià)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(qiáng)，其在工業(yè)傳動(dòng)及控制領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 通用機(jī)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(shí)現(xiàn)[J]. 變頻器世界，2008，（5）: 91～94.

[4]偉肯（蘇州）電氣傳動(dòng)有限公司. Profibus中文手冊(cè)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(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 296～298.