基于PROFINET通信的變頻調速系統設計與研究

張 晴, 任家富, 徐廷生, 李琳琳

(1．成都理工大學 核技術與自動化工程學院， 成都 610059； 2. 78010部隊, 成都 610041)

基于PROFINET通信的變頻調速系統設計與研究

張 晴1, 任家富1, 徐廷生2, 李琳琳1

(1．成都理工大學 核技術與自動化工程學院， 成都 610059； 2. 78010部隊, 成都 610041)

PLC控制變頻器的常用方法有兩種。一種是I/O端口傳遞信號，另一種是總線通信。PROFINET現場總線具有省配線、控制功能多、傳輸速度快、傳輸距離遠等諸多優點，因此在自動化控制領域得到廣泛應用。為了實現基于PROFINET現場總線的PLC和變頻器通信，需要對變頻器眾多的參數進行設置，對PLC和變頻器進行硬件組態，編寫程序收發通信數據并對其進行換算、判斷。在G120相關參數設置的基礎上，以S7-300系列PLC、觸摸屏TP700和變頻器G120的PROFINET通信為例，闡述PROFINET通信網絡的硬件組態方法和程序設計技巧。本文的研究結果有助于提高學生的知識技術水平和理論應用于實際的能力。

PROFINET現場總線； 變頻器G120； 硬件組態； 程序設計技巧

0 引 言

我校電氣工程系引進了西門子S7-300自動化控制實驗裝置，該裝置主要由CPU314C-2PN/DP、觸摸屏TP700、變頻器G120、三相異步電動機等多個部件組成。可實現PROFIBUS和PROFINET現場總線通信、運料小車控制、配料攪拌控制、三相異步電動機變頻調速等多個實驗教學項目。PLC在工業生產的所有領域得到了廣泛的使用[1]。SIMATIC S7-300是西門子生產的中型PLC[2]。模塊化結構的變頻器G120由可拆卸的、可選型號的功率模塊、控制模塊和操作面板三部分搭配組成[3]。現場總線是構成整個工業網絡的基礎[4]。已成為全球自動化技術的熱點[5]。該裝置為學生學習先進的自動化控制技術提供了良好的平臺。而西門子技術服務部門提供的是只支持英文版操作系統的集成化軟件PCS7，這給教學和研究工作帶來了不便。為了該實驗裝置的推廣使用，應用中文版的TIA Portal V13集成化軟件進行實驗項目的重新設計，從中選擇具有代表性的、難度大的基于PROFINET通信變頻調速系統進行講解，使同學們能熟練掌握新的理論知識及其應用技術。激發學生的學習興趣和提高他們的專業技能[6]。

1 PROFINET現場總線通信基礎

1.1 PROFINET總線網絡的連接

CPU314C-2PN/DP、TP700、G120具有支持PROFINET通信的PN端口，可直接用4芯雙絞線把三者連接成PROFINET I/O總線網絡。ROFINET I/O是指用以太網連接以PROFINET協議通信的分散設備[7]。一個PN智能設備功能不但可以作為一個智能處理單元處理生產工藝過程，而且可以和IO控制器之間交換過程數據[8]。S7-300和G120采用通信報文格式交換數據[9]。G120的結構和PROFINET總線網絡的連接，如圖1所示。

1.2 PROFINET的通信報文

在西門子報文352通信方式下，PLC和變頻器之間交換的數據為6個字。PLC向變頻器發送控制字1、轉速設定值和其他過程數據，控制電動機的工作狀態；變頻器返回狀態字1、電動機轉速實際值、電動機電流實際值、電動機轉矩實際值、報警和故障代碼。通信數據定義見表1。

表1 西門子報文352的通信數據

常用的STW1有：047FH(電動機正轉)、0C7FH(電動機反轉)、047EH、047CH、047AH(電動機停止)，04FEH(故障/報警復位)[10]。NSOLL_A的設定值16384對應變頻器參數P2000所設定的參考速度，設定值與電動機轉速n的換算式為：

(1)

例如，P2000的參數值為1 500r/min，如果使電動機轉速變為1 200r/min，那么NSOLL_A的值=1 200×16 384÷1 500=13 107。NSOLL_A的值是4 096，電動機轉速=4 096×1 500÷16 384=375r/min。

ZSW1返回電動機的工作狀態。通過對其數據分析判斷，可得到電動機的旋轉方向、是否出現故障和報警等信息。ZSW1的b1位表示電動機是否運行，b3位表示是否出現故障，b7位表示是否出現報警，b14位表示電動機旋轉方向。NIST_A是二進制數據，需要經過下式換算才能得到單位為r/min的電動機轉速：

(2)

IAIST_GLATT是二進制數據，需要經過下式的換算才能得到單位為A的電動機電流：

(3)

MIST_GLATT是二進制數據，需要經過下式的換算才能得到單位為N·m的電動機轉矩：

(4)

2 G120的參數設置

G120控制模塊CU250S-2PN的參數有很多，參數設置正確與否是整個系統運行成功的關鍵。

2.1 電動機的參數設置

參數號P0300～P0399是設定電動機的參數[11]。針對三相異步電動機的參數設置見表2。

2.2 控制方式的參數設置

表2 CU250S-2PN的三相異步電動機參數設置

CU250S定義了18種預定義接口宏，每種宏對應一種控制方式。選擇其中一種宏后，變頻器會自動設置相對應的參數[12]。通過修改P0015的參數值來選擇接口宏，修改P0015參數值時，要先設置P0010=1，才允許修改P0015，修改完畢后再設置P0010=0，才能使參數改動有效。

2.3 通信方式的參數設置

硬件組態和變頻器參數設置要求相同的通信協議和通信報文格式。變頻器的參數P2030設置通信協議，參數P0922、P2079設置通信報文格式[13]。G120的控制和通信方式參數設置見表3。

表3 G120的控制和通信方式參數設置

3 變頻調速監控系統的設計

為了實現PROFINET現場總線通信，除了設置變頻器相關參數外，還要完成PROFINET網絡的硬件組態、人機界面監控畫面設計和數據的收發、換算、判斷的程序編寫等步驟。

3.1 網絡與設備的硬件組態

創建由CPU314C-2PN/DP(訂貨號：314-6EH04-0AB0)、觸摸屏TP700(訂貨號：6AV2124-0GC01-0AX0)、G120的控制模塊CU250S-2PN(訂貨號：6SL3246-0BA22-1FA0)組成的PROFINET網絡，設置3臺設備的IP地址和設備名稱，要求IP地址都在同一網段中，IP地址的子網掩碼相同。PLC的IP地址設為192.168.2.2和設備名稱取為plc_1。TP700的IP地址設為192.168.2.4和設備名稱取為hmi_1。G120的IP地址設為192.168.2.5和設備名稱取為g120_1。設備和網絡的硬件組態，如圖2所示。

PLC和CU250S-2PN建立伙伴關系，CU250S-2PN添加SIEMENS telegram 352模塊，其I/O地址不要超過200。QW100～QW111是PLC發送數據給變頻器的地址,IW100～IW111是PLC讀取變頻器數據的地址。CU250S-2PN的模塊組態，如圖3所示。

圖2 設備與網絡組態

圖3 CU250S-2PN的模塊組態

3.2 TP700的監控畫面設計

人機界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁[14]。為了實現變頻調速的可視化監控，要在畫面中創建功率模塊通電、功率模塊斷電、電動機的正轉、反轉、加速、減速、停止和報警/故障復位等8個操作按鈕。創建1個輸入/輸出域用于輸入轉速設定值。創建功率模塊通電、正轉、反轉、報警、故障和診斷中斷等6個指示燈用于顯示系統工作狀態。創建顯示電動機的實際轉速、電流、轉矩和故障代碼、報警代碼等5個輸出域，方便使用者查看系統的運行情況并及時排除故障。TP700的監控畫面布局，如圖4所示。

3.3 PLC的程序設計

PLC程序主要根據系統的功能要求和總體設計方案，按照模塊化設計的思路進行編寫[15]。所以創建了OB1、FB1、OB100、OB82等4個程序塊。OB1是系統循環執行的主程序，FB1實現通信數據的收發、換算和判斷。該功能塊由OB1循環調用[16]。OB1和FB1的程序流程圖，如圖5所示；OB1的部分梯形圖程序，如圖6所示。

圖4 可視化監控畫面

OB100完成數據初始化。OB82是I/O診斷中斷組織塊。當通信出現故障時，診斷中斷指示燈點亮，起到提示作用。同時也避免系統出錯時使PLC停機。模塊化編程減輕了程序的維護調試難度。OB100和OB82的程序流程圖，如圖7所示；FB1的部分梯形圖程序，如圖8所示；系統的調試運行狀況如圖9所示。

圖5 OB1和FB1的程序流程圖

圖6 OB1部分梯形圖程序

(a) OB100初始化程序塊 (b) OB82診斷中斷程塊

圖7 OB100和OB82的程序流程圖

圖8 FB1部分梯形圖程序

圖9 系統調試運行狀況

4 結語

實驗結果表明，電動機的控制效果和觸摸屏顯示的數據達到預期目標。本文為學生掌握現場總線通信技術應用于自動化控制系統提供了具有一定參考價值的設計方法。新型實驗設備和新一代集成化軟件TIA Portal V13的使用，使學生理解并掌握變頻器的使用方法、可視化監控畫面的設計要領和集成化軟件的組態編程技巧，體會了新技術的高效性和優越性，消除了學生對新知識技術的陌生感，激發了同學們的學習動力和熱情。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].3版. 北京：機械工業出版社，2014.9.

[2] 陳忠平.西門子S7-300/400系列PLC自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2010.1.

[3] SINAMICS G120 培訓手冊 [DB/OL].SIEMENS工業支持中心，2014.10.

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[5] 劉澤祥，李媛.現場總線技術[M].2版.北京：機械工業出版社，2011.7.

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[12] G120 CU250S-2系列控制單元宏功能介紹[DB/OL].SIEMENS工業支持中心，2015.12.

[13] SINAMICS G120、G120P、G120C、G120D、G110M現場總線功能手冊[DB/OL].SIEMENS工業支持中心，2014.4.

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[16] Library with Faceplates for Controlling a SINAMICS G120 Drive with a SIMATIC S7-1200/300/400 Controller [DB/OL].SIEMENS工業支持中心，2013.4.

Design and Study of the Frequency Converting System Based on the PROFINET Communication

ZHANGQing1,RENJiafu1,XUTingsheng2,LILinlin1

(1. School of Nuclear Technology and Automation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. NO.78010 Troops of PLA, Chengdu 610041, China)

There are two common PLC methods for the control of converter. One is used I/O ports to transfer signal, the other is bus communication. There are many advantages, such as wiring saving, various control functions, fast transmission speed, long transmission distance and so on, for the PROFINET field-bus, which has been widely used in the automatic control field. In order to implement the communication between PLC and converter based on the PROFINET filed-bus, it is necessary to set up the parameters of inverter G120, to set up the hardware configuration of PLC and converter, to write the communication program for sending and receiving data, and then to carry out the conversion and judgment program. The whole process of program designing and debugging is very complex, and requires abundant knowledge and experience of real application. Because of the difficulty of understanding, the students are hard to master the communication between PLC and converter. This article gives an example of PROFINET communication of S7-300 series PLC, the touch panel TP700 and the converter G120. The example can help to explain the method and set the parameters of G120, to describe the hardware configuration method and the programming skill of PROFINET network. The discussion and results of this article can improve the knowledge and technology levels of students, hence, are helpful to improve the ability of students in using the studied knowledge for solving the practical problems.

PROFINET field bus; converter G120; hardware configuration; programming skill

2016-07-11

四川省電氣工程及其自動化卓越工程師計劃(11100-14Z00330)；基于動態仿真的《電力電子技術》教學方法研究與實踐，成都理工大學教改項目(201643)

張 晴(1969-)，男，重慶江津人，本科，講師，主要從事自動化控制的教學和研究。

Tel.：18180432578，028-84076906； E-mail：373748442@qq.com

TP 273； TP 274

A

1006-7167(2017)04-0131-06