基于Profibus網(wǎng)絡(luò)的西門子PLC與雙臺(tái)S120變頻器通訊的實(shí)現(xiàn)研究

張 康，儲(chǔ)昭碧，寧君宇，馮小英

ZHANG Kang, CHU Zhao-bi, NING Jun-yu, FENG Xiao-ying

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)對(duì)高科技智能化的控制設(shè)備的需求日益緊迫，對(duì)現(xiàn)場傳動(dòng)設(shè)備的連續(xù)性、高速性、平穩(wěn)性要求非常高，因此西門子PLC和變頻器應(yīng)運(yùn)的被廣泛的應(yīng)用到工業(yè)控制中。同時(shí)由于系統(tǒng)的規(guī)模、運(yùn)載量及穩(wěn)定性的要求，一臺(tái)變頻器的單獨(dú)運(yùn)行已經(jīng)不能達(dá)到要求，所以多臺(tái)變頻器組成的系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)在控制系統(tǒng)主流，系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備之間的連接也變得復(fù)雜[1]。由于S120變頻器內(nèi)部有網(wǎng)絡(luò)通訊功能模塊，則PLC可以通過這些模塊與變頻器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊[2]，從而可以控制變頻器的運(yùn)行，并且監(jiān)視其工作情況。

西門子S120變頻器有V/f控制、矢量控制和伺服控制3種控制模式，以及扭矩控制、速度控制、位置控制3種控制方式，能夠滿足工程中的一切要求。并且，可實(shí)現(xiàn)幾乎所有控制要求苛刻的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，是易于快速方便地實(shí)現(xiàn)精確控制定制的驅(qū)動(dòng)裝置。同時(shí)，其功率范圍寬，組態(tài)簡單方便，具有靈活簡單的連接安裝技術(shù)。而西門子S7-300系列PLC具有模塊分開、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)配置靈活、裝配方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。所以某礦山石灰石皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)選擇S120變頻器為驅(qū)動(dòng)裝置，西門子PLC為控制裝置[3,4]。本文以某礦山石灰石皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探討西門子PLC與雙臺(tái)S120變頻器基于Profibus網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)，并給出硬件組態(tài)和程序的編寫。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

此系統(tǒng)為了保持足夠的動(dòng)力及運(yùn)行的平穩(wěn)性采用頭尾單驅(qū)，其頭尾部都采用200kW的S120變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)停止。同時(shí)，頭尾都采用西門子S7-300系列PLC控制變頻器，其中尾部為主站，頭部為從站。尾部的PLC與變頻器，頭部的PLC與變頻器之間都采用通信電纜相連。頭部的PLC采用光纖與尾部的PLC進(jìn)行通訊。此控制系統(tǒng)基于Pro fi bus-DP的網(wǎng)絡(luò)通訊連接圖如圖1所示。

為了保證控制系統(tǒng)工作的連續(xù)性及安全性，頭尾PLC之間的連接除光纖通訊以外，還可以通過數(shù)字信號(hào)的輸入、輸出（DI/DO）來傳導(dǎo)通訊故障、開機(jī)、停機(jī)等信號(hào)。所以如果PLC之間光纖通訊出問題了，整個(gè)控制系統(tǒng)可以正常的開啟工作，不影響系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

2 S120與PLC的通訊

圖2 S120報(bào)文配置

圖3 S7-300硬件組態(tài)報(bào)文配置

本系統(tǒng)中PLC采用S7-300系列（CPU315-2DP）和SINAMICS S120變頻器之間通過總線Profibus-DP通訊進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換，控制變頻器的啟停及控制電機(jī)的運(yùn)行速度，并監(jiān)控著變頻器和電機(jī)的工作狀態(tài)。為了兩者能夠正常進(jìn)行通訊，在STEP7硬件組態(tài)中設(shè)置站地址，要與S120變頻器通過CU320硬件上的撥碼開關(guān)設(shè)置的從站地址一樣。此系統(tǒng)中，DP總線接頭兩端只能為“進(jìn)”，且開關(guān)打到ON上，接通200歐電阻，中間的接頭必須打到OFF，且為一進(jìn)一出。同時(shí)，設(shè)置通訊緩沖區(qū)，運(yùn)用SFC14/SFC15傳送DB數(shù)據(jù)時(shí)，必須在硬件組態(tài)里建立同樣大小的緩沖區(qū)，但最大只能為32字節(jié)；最好DB塊內(nèi)部填充滿，以防出錯(cuò)。

在對(duì)S120進(jìn)行組態(tài)時(shí)，把S_INF_02、VECTOR_03添加進(jìn)來，在Starter中選用適當(dāng)?shù)膱?bào)文結(jié)構(gòu)，來發(fā)送控制字與讀取狀態(tài)字。其中電源模塊選用SIEMENS telegram 370，PZD1/1；電機(jī)模塊選用SIEMENS telegram 352，PZD6/6。如圖2所示。PZD6/6表示DP通訊的字?jǐn)?shù)為6，即6個(gè)通訊字。6個(gè)輸入字：PLC發(fā)送給變頻器的數(shù)據(jù)為6個(gè)字，其中包括：控制字、轉(zhuǎn)速設(shè)定值、其他未用字等數(shù)據(jù)信息；6個(gè)輸出字：變頻器傳遞給PLC數(shù)據(jù)為6個(gè)字，其中包括：狀態(tài)字、實(shí)際轉(zhuǎn)速值、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流等數(shù)據(jù)信息。

3 通訊編程實(shí)現(xiàn)

編寫程序的主要目的是配置數(shù)據(jù)輸入輸出通道緩沖區(qū)，構(gòu)建主站CPU與設(shè)備之間的連接通道，按照控制策略來編寫程序。編程時(shí)可采用Move指令和系統(tǒng)功能模塊SFC14/15兩種方法來完成數(shù)據(jù)操作。由于Move指令最多能傳輸4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC與變頻器通訊時(shí)，兩者之間傳輸數(shù)據(jù)大于雙字，為了保證能夠存取相連續(xù)的數(shù)據(jù)模塊，故不采用Move指令，而采用調(diào)用系統(tǒng)的功能模塊SFC14“DPRD-DAT”來讀取Profibus從站數(shù)據(jù)、采用功能模塊SFC15“DPWR-DAT”將數(shù)據(jù)寫入Profibus從站。如果一個(gè)DP從站有若干個(gè)相連續(xù)的數(shù)據(jù)模塊，則對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)模塊必須分別安排一個(gè)SFC14/15調(diào)用[8]。

下面編寫S120變頻器與PLC通訊程序。為了方便功能模塊SFC14/15讀寫數(shù)據(jù)，也為了圖1中觸摸屏。

為了S7-300能夠與S120進(jìn)行正常通訊，則在STEP7中設(shè)置的報(bào)文要保證與Starter中配置的報(bào)文長度順序等完全一致。如圖3所示。此時(shí)，PLC可向S120發(fā)送控制字，控制電機(jī)的工作；同時(shí)從S120讀取狀態(tài)字，監(jiān)視電機(jī)的工作情況[5～7]。

讀取數(shù)據(jù)的方便性，首先建立數(shù)據(jù)模塊DB6作為發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)[9]。

PLC向尾部變頻器寫電源模塊數(shù)據(jù)，調(diào)用功能模塊SFC15，其中LADDER表示對(duì)方數(shù)據(jù)起始地址，即對(duì)方要接收的數(shù)據(jù)存放的起始地址；RECORD表示本地要發(fā)送數(shù)據(jù)存放的地址；RET_VAL表示返回值為錯(cuò)誤代碼。如圖4所示，將DB6模塊中從DB6.DBX0.0開始的1個(gè)控制字發(fā)送給變頻器，接收數(shù)據(jù)存放的起始地址為W#16#110，如圖3中組態(tài)首地址為十進(jìn)制272。若返回值RET_VAL為零，則表示通訊正常；否則，表示通訊故障，其地址為MW44。

PLC向尾部變頻器寫電機(jī)模塊數(shù)據(jù)如圖5所示，其原理與PLC向尾部變頻器寫電源模塊數(shù)據(jù)一樣。其接收數(shù)據(jù)存放的起始地址為W#16#112，如圖3中組態(tài)首地址為十進(jìn)制274，若RET_VAL為非零，通訊故障地址為MW48。

PLC從尾部變頻器讀電源模塊數(shù)據(jù)，調(diào)用功能模塊SFC14，其中LADDER表示對(duì)方數(shù)據(jù)起始地址，即本地要接收的數(shù)據(jù)存放在對(duì)方的起始地址；RECORD表示接收數(shù)據(jù)存放的地址；RET_VAL表示返回錯(cuò)誤代碼。如圖6所示，將起始地址為W#16#110（如圖3中組態(tài)首地址為十進(jìn)制272）開始的1個(gè)狀態(tài)字讀出，并將數(shù)據(jù)存放在DB6模塊中起始地址為DB6.DBX14.0，通訊故障地址為MW46。

PLC向尾部變頻器寫電機(jī)模塊數(shù)據(jù)如圖7所示，其原理與PLC從尾部變頻器讀電源模塊數(shù)據(jù)一樣。其接收數(shù)據(jù)存放的起始地址為DB6.DBX16.0，MW50表示通訊故障的地址。

圖4 PLC向尾部變頻器寫電源模塊數(shù)據(jù)

圖5 PLC向尾部變頻器寫電機(jī)模塊數(shù)據(jù)

圖6 PLC從尾部變頻器讀電源模塊數(shù)據(jù)

圖7 PLC從尾部變頻器讀電機(jī)模塊數(shù)據(jù)

通訊故障處理：其通訊故障處理流程圖如圖8所示。只要4個(gè)通訊故障地址中有一個(gè)的返回值非零，就會(huì)觸發(fā)通訊故障程序如圖9所示，此時(shí)將進(jìn)行通訊故障處理如圖10、圖11所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值立即被賦予0，電源關(guān)閉，電機(jī)停止工作，同時(shí)狀態(tài)字清零，DB模塊清零。

圖8 PLC變頻器通訊故障處理流程圖

圖9 PLC與變頻器通訊故障

圖10 PLC與變頻器通訊故障處理

圖11 PLC與變頻器通訊故障處理

4 結(jié)束語

在分析了PLC與變頻器的Profibus總線網(wǎng)絡(luò)通訊及其實(shí)現(xiàn)后，給出了通訊程序，實(shí)現(xiàn)了通過Profibus網(wǎng)絡(luò)總線控制變頻器的正常啟動(dòng)、正常運(yùn)行、正常停止及速度給定等功能。經(jīng)過一年的實(shí)際運(yùn)行，通訊技術(shù)依然良好，期間無任何故障，為生產(chǎn)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、操作的簡單性、維護(hù)的方便性，加上其傳送速度快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將來會(huì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

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