基于Profibus-DP總線的半圓塔輪收放纜裝置控制系統(tǒng)的研究

王東峰 于 洋 林 垠 孟祥富

（天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300384）

1 引言

Profibus-DP是一種高速率、低成本的通信連接，它是為自動(dòng)化控制系統(tǒng)和設(shè)備上分散的I/ O 之間進(jìn)行通信而專門設(shè)計(jì)的。它采用RS-485或光纖傳輸技術(shù)，最大傳輸速率可以達(dá)到 12Mbps，采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）開(kāi)放性、互換性、可集成性。不同廠家的不同產(chǎn)品，只要支持Profibus-DP通信協(xié)議，都可以很容易地集成到控制系統(tǒng)中，因此控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)放性和互換性，而且通過(guò)廠家提供的GSD文件，使得硬件組態(tài)非常方便，不需要太多設(shè)置就能夠?qū)a(chǎn)品輕松的集成到控制系統(tǒng)中。

（2）系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)方便。基于Profibus-DP通信的控制系統(tǒng)采用總線連接方式，減少了控制系統(tǒng)與 I/O設(shè)備之間的連線，只需要一根通信電纜就可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的連接，減小了故障發(fā)生的概率。硬件上Profibus-DP通信采用屏蔽雙絞線或光纖，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)，系統(tǒng)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分析功能，容易找到故障點(diǎn)，減少了故障查找的工作量。

（3）由于Profibus-DP通信最大傳輸速率可以達(dá)到12Mbps，而且主站與從站之間為數(shù)字化通信，所以可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制。

（4）由于互換性強(qiáng)、連接簡(jiǎn)便、可靠性高，可以減少電氣備件與連接電纜的數(shù)量，因此可以降低系統(tǒng)制造與運(yùn)行成本。

到景花廠做廠長(zhǎng)，其實(shí)還不如我在大發(fā)廠做課長(zhǎng)呢。景花廠才三十來(lái)名員工，大發(fā)廠拋光車間五十多人呢。阿花切了一聲，說(shuō)那不一樣，在大發(fā)廠，你管了那么多人，上面還有那么多人管你，總務(wù)管你，質(zhì)檢管你，財(cái)務(wù)管你，老板管你。你是風(fēng)箱里的老鼠，兩頭受氣。來(lái)景花廠做廠長(zhǎng)就不同了，我是老板，你是廠長(zhǎng)，許多事你說(shuō)了算。

半圓塔輪收放纜裝置主動(dòng)輪由西門子 MM440系列變頻器通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)輪通過(guò)鏈條帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，由液壓缸帶動(dòng)夾緊輪上下運(yùn)動(dòng)，使電纜牢固的壓在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上，當(dāng)主動(dòng)輪正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，便實(shí)現(xiàn)電纜的收放動(dòng)作。

半圓塔輪收放纜裝置的控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別是遠(yuǎn)程控制柜和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)程控制柜采用一套西門子S7-300PLC作為主站，控制柜上有開(kāi)關(guān)與電位器，向PLC發(fā)出各種控制信號(hào)，例如變頻器的起停命令、方向信號(hào)、頻率信號(hào)和油缸的伸縮命令等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由ET-200、S7-300PLC、變頻器、接觸器和比例板等組成，作為從站。主站與從站之間通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行通信，從站接收到主站發(fā)出的命令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)從站又向主站反饋?zhàn)陨淼倪\(yùn)行狀態(tài)，例如變頻器的實(shí)際工作頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)方向等，主站將這些反饋信號(hào)顯示或輸出到觸摸屏和指示燈上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制（系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示）。

圖1 半圓塔輪收放纜裝置控制原理

2 硬件配置

要使西門子 MM440變頻器能夠集成到控制系統(tǒng)中，必須購(gòu)買一塊PROFIBUS通信模塊，其訂貨號(hào)為 6SE6400-1PB00-0AA0，然后將該模塊安裝到變頻器上，通過(guò)RS-485接口與ET-200模塊連接。

硬件組態(tài)時(shí)，打開(kāi)西門子SIMATIC Manager軟件，新建一個(gè)S7-300的項(xiàng)目，CPU選用CPU315-DP，再新建一個(gè)DP總線網(wǎng)絡(luò)，PLC作為主站，然后把ET-200和變頻器都連接到DP總線上。組態(tài)變頻器時(shí)，在硬件組態(tài)頁(yè)面，從右邊目錄中選擇“Profibus DP/SIMOVERT/MICROMASTER 4”。由于MM440僅支持PPO1和PPO3通信類型，所以選擇PPO1，即通信區(qū)包含4PKW，2PZD，然后為通信板設(shè)置I/O地址，PKW區(qū)域，I：350-357，O：350-357；PZD區(qū)，I：360-363，O：360-363（硬件組態(tài)界面如圖2所示）。

硬件組態(tài)完成后，還要對(duì)變頻器如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

P0700 設(shè)為6 命令源來(lái)自PLC

P1000 設(shè)為6 頻率設(shè)定值來(lái)自PLC

P2051（1） 設(shè)為21 PZD2存儲(chǔ)變頻器實(shí)際輸出頻率值

完成以上設(shè)置后，變頻器與PLC在硬件上就完成了連接。

圖2 硬件組態(tài)界面

3 軟件編程

PLC對(duì)變頻器的控制與監(jiān)測(cè)是通過(guò)讀寫兩個(gè)PZD（過(guò)程數(shù)據(jù)）和4個(gè)PKW（參數(shù)標(biāo)識(shí)符值）完成的。下面分別說(shuō)明。

3.1 對(duì)PZD（過(guò)程數(shù)據(jù)）的讀寫

變頻器控制字PZD是一組16位的二進(jìn)制編碼，其中PZD1控制字控制變頻器的工作模式，包括正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止和待機(jī)狀態(tài)等。PZD1的每一位二進(jìn)制都有特定的含義， 它規(guī)定了變頻器的工作模式并能夠反映變頻器的工作狀態(tài)，PZD1控制字的每一位含義見(jiàn)表1。

表1 MM440變頻器控制字含義

通過(guò)向PZD1寫入特定數(shù)據(jù)，就可以控制變頻器的動(dòng)作，例如，向 PZD1寫入 W#16#47F，就可以使變頻器按照設(shè)定頻率值正向運(yùn)行。同時(shí)，將PZD1的實(shí)際值讀入PLC中，就可以讀出變頻器的實(shí)際工作狀態(tài)。

PZD2是變頻器的頻率設(shè)定控制字，PZD2的值與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:

所以，通過(guò)向PZD2寫入數(shù)據(jù)，就可以設(shè)定變頻器的工作頻率，例如，向PZD2寫入W#16#2000時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的設(shè)定頻率為25Hz。通過(guò)讀取PZD2的實(shí)際值，我們就可以得到變頻器實(shí)際輸出的頻率值，從而可以得到轉(zhuǎn)速信息。

在需要對(duì)PZD進(jìn)行讀寫時(shí)，我們需要調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15，這兩個(gè)特殊功能塊可以在SIMATIC Manager軟件的Standard LibrarySystem Function Blocks 中直接復(fù)制調(diào)用。其中SFC14為主站讀取Profibus從站數(shù)據(jù)，SFC15為向Profibus從站寫入數(shù)據(jù)。

為了方便讀寫數(shù)據(jù)，我們建立數(shù)據(jù)塊DB3，與從站的PZD相對(duì)應(yīng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，PZD1的值是通過(guò)遠(yuǎn)程控制柜上的開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置的，遠(yuǎn)程控制柜上有正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，停止開(kāi)關(guān)，操作這些開(kāi)關(guān)，然后在程序中通過(guò)“MOVE”指令，就可以將實(shí)際操作命令發(fā)送到數(shù)據(jù)塊DB3，然后通過(guò)SFC15寫入MM440變頻器中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。

PZD2的值是變頻器的頻率設(shè)定值，在控制系統(tǒng)中，通過(guò)S7-300的模擬量輸入模塊采集一個(gè)頻率設(shè)定電位器R1輸出的0-10V的模擬量信號(hào)，通過(guò)SIMATIC Manager軟件的Standard LibraryS5-S7Converting Blocks中的FC105模擬量轉(zhuǎn)換工程量功能塊轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)塊DB1中，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

調(diào)節(jié)電位器時(shí)，通過(guò) FC105轉(zhuǎn)換再通過(guò)“MOVE”指令，就將頻率設(shè)定值發(fā)送到數(shù)據(jù)塊DB3，然后通過(guò)SFC15寫入MM440變頻器中，實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

設(shè)定值的傳送如圖3。

當(dāng)需要變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作遠(yuǎn)程控制柜上的旋鈕開(kāi)關(guān)，向 PLC發(fā)出命令，然后通過(guò) Profibus-DP總線通信，PLC向變頻器發(fā)送指令，變頻器開(kāi)始動(dòng)作，如圖4所示。

圖3 變頻器設(shè)定值傳送

圖4 變頻器與PLC通信程序

同時(shí)，變頻器向PLC反饋實(shí)際的工作狀態(tài)，存儲(chǔ)到DB3中，PLC讀取DB3中的變頻器狀態(tài)參數(shù)，然后顯示到觸摸屏和相應(yīng)的指示燈上。

3.2 對(duì)PKW（參數(shù)標(biāo)識(shí)符值）的讀寫。

對(duì) PKW區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫也是通過(guò)調(diào)用特殊功能塊SFC14和SFC15完成的。PKW一般是4個(gè)字，定義如下：

PKE 參數(shù)標(biāo)識(shí)符

IND 索引

PWE 參數(shù)值

PWE 參數(shù)值

通過(guò)對(duì) PKW區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫，就能夠得到變頻器實(shí)際的參數(shù)設(shè)定值，并能對(duì)參數(shù)值進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程的參數(shù)化，方便對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)定。

4 結(jié)論

S7-300PLC通過(guò)Profibus-DP總線通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)MM440變頻器的控制，半圓塔輪收放纜裝置在實(shí)際的使用中，減少了遠(yuǎn)程控制柜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連接電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性，使變頻器的參數(shù)修改更加容易操作，可以方便根據(jù)不同工況進(jìn)行快速的修改和調(diào)整。同時(shí)變頻器的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便用戶使用。該裝置投入使用后，運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便，在收放纜作業(yè)中提高了生產(chǎn)效率，收到了用戶好評(píng)。相信類似的系統(tǒng)會(huì)有很廣泛的應(yīng)用。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:355-371.

[2] 陳冰,謝經(jīng)明. Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線在液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 液壓與氣動(dòng)，2001(10):14-16.

[3] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). MM440變頻器使用大全[M].北京:西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán),2003.