基于PROFINET通信的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張 晴, 任家富, 徐廷生, 李琳琳

(1．成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院， 成都 610059； 2. 78010部隊(duì), 成都 610041)

基于PROFINET通信的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院， 成都 610059； 2. 78010部隊(duì), 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(hào)，另一種是總線通信。PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線具有省配線、控制功能多、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC和變頻器通信，需要對(duì)變頻器眾多的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)PLC和變頻器進(jìn)行硬件組態(tài)，編寫(xiě)程序收發(fā)通信數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行換算、判斷。在G120相關(guān)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)方法和程序設(shè)計(jì)技巧。本文的研究結(jié)果有助于提高學(xué)生的知識(shí)技術(shù)水平和理論應(yīng)用于實(shí)際的能力。

PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線； 變頻器G120； 硬件組態(tài)； 程序設(shè)計(jì)技巧

0 引 言

我校電氣工程系引進(jìn)了西門(mén)子S7-300自動(dòng)化控制實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)等多個(gè)部件組成。可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS和PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線通信、運(yùn)料小車控制、配料攪拌控制、三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速等多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。PLC在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用[1]。SIMATIC S7-300是西門(mén)子生產(chǎn)的中型PLC[2]。模塊化結(jié)構(gòu)的變頻器G120由可拆卸的、可選型號(hào)的功率模塊、控制模塊和操作面板三部分搭配組成[3]。現(xiàn)場(chǎng)總線是構(gòu)成整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)[4]。已成為全球自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)[5]。該裝置為學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)提供了良好的平臺(tái)。而西門(mén)子技術(shù)服務(wù)部門(mén)提供的是只支持英文版操作系統(tǒng)的集成化軟件PCS7，這給教學(xué)和研究工作帶來(lái)了不便。為了該實(shí)驗(yàn)裝置的推廣使用，應(yīng)用中文版的TIA Portal V13集成化軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重新設(shè)計(jì)，從中選擇具有代表性的、難度大的基于PROFINET通信變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行講解，使同學(xué)們能熟練掌握新的理論知識(shí)及其應(yīng)用技術(shù)。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高他們的專業(yè)技能[6]。

1 PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線通信基礎(chǔ)

1.1 PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。ROFINET I/O是指用以太網(wǎng)連接以PROFINET協(xié)議通信的分散設(shè)備[7]。一個(gè)PN智能設(shè)備功能不但可以作為一個(gè)智能處理單元處理生產(chǎn)工藝過(guò)程，而且可以和IO控制器之間交換過(guò)程數(shù)據(jù)[8]。S7-300和G120采用通信報(bào)文格式交換數(shù)據(jù)[9]。G120的結(jié)構(gòu)和PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)的連接，如圖1所示。

1.2 PROFINET的通信報(bào)文

在西門(mén)子報(bào)文352通信方式下，PLC和變頻器之間交換的數(shù)據(jù)為6個(gè)字。PLC向變頻器發(fā)送控制字1、轉(zhuǎn)速設(shè)定值和其他過(guò)程數(shù)據(jù)，控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)；變頻器返回狀態(tài)字1、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值、電動(dòng)機(jī)電流實(shí)際值、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值、報(bào)警和故障代碼。通信數(shù)據(jù)定義見(jiàn)表1。

表1 西門(mén)子報(bào)文352的通信數(shù)據(jù)

常用的STW1有：047FH(電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn))、0C7FH(電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn))、047EH、047CH、047AH(電動(dòng)機(jī)停止)，04FEH(故障/報(bào)警復(fù)位)[10]。NSOLL_A的設(shè)定值16384對(duì)應(yīng)變頻器參數(shù)P2000所設(shè)定的參考速度，設(shè)定值與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的換算式為：

(1)

例如，P2000的參數(shù)值為1 500r/min，如果使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)? 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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=4 096×1 500÷16 384=375r/min。

ZSW1返回電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。通過(guò)對(duì)其數(shù)據(jù)分析判斷，可得到電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、是否出現(xiàn)故障和報(bào)警等信息。ZSW1的b1位表示電動(dòng)機(jī)是否運(yùn)行，b3位表示是否出現(xiàn)故障，b7位表示是否出現(xiàn)報(bào)警，b14位表示電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。NIST_A是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)下式換算才能得到單位為r/min的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

(2)

IAIST_GLATT是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)下式的換算才能得到單位為A的電動(dòng)機(jī)電流：

(3)

MIST_GLATT是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)下式的換算才能得到單位為N·m的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩：

(4)

2 G120的參數(shù)設(shè)置

G120控制模塊CU250S-2PN的參數(shù)有很多，參數(shù)設(shè)置正確與否是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成功的關(guān)鍵。

2.1 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置

參數(shù)號(hào)P0300～P0399是設(shè)定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)[11]。針對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

2.2 控制方式的參數(shù)設(shè)置

表2 CU250S-2PN的三相異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置

CU250S定義了18種預(yù)定義接口宏，每種宏對(duì)應(yīng)一種控制方式。選擇其中一種宏后，變頻器會(huì)自動(dòng)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)[12]。通過(guò)修改P0015的參數(shù)值來(lái)選擇接口宏，修改P0015參數(shù)值時(shí)，要先設(shè)置P0010=1，才允許修改P0015，修改完畢后再設(shè)置P0010=0，才能使參數(shù)改動(dòng)有效。

2.3 通信方式的參數(shù)設(shè)置

硬件組態(tài)和變頻器參數(shù)設(shè)置要求相同的通信協(xié)議和通信報(bào)文格式。變頻器的參數(shù)P2030設(shè)置通信協(xié)議，參數(shù)P0922、P2079設(shè)置通信報(bào)文格式[13]。G120的控制和通信方式參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 G120的控制和通信方式參數(shù)設(shè)置

3 變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線通信，除了設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù)外，還要完成PROFINET網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)、人機(jī)界面監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的收發(fā)、換算、判斷的程序編寫(xiě)等步驟。

3.1 網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的硬件組態(tài)

創(chuàng)建由CPU314C-2PN/DP(訂貨號(hào)：314-6EH04-0AB0)、觸摸屏TP700(訂貨號(hào)：6AV2124-0GC01-0AX0)、G120的控制模塊CU250S-2PN(訂貨號(hào)：6SL3246-0BA22-1FA0)組成的PROFINET網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置3臺(tái)設(shè)備的IP地址和設(shè)備名稱，要求IP地址都在同一網(wǎng)段中，IP地址的子網(wǎng)掩碼相同。PLC的IP地址設(shè)為192.168.2.2和設(shè)備名稱取為plc_1。TP700的IP地址設(shè)為192.168.2.4和設(shè)備名稱取為hmi_1。G120的IP地址設(shè)為192.168.2.5和設(shè)備名稱取為g120_1。設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)，如圖2所示。

PLC和CU250S-2PN建立伙伴關(guān)系，CU250S-2PN添加SIEMENS telegram 352模塊，其I/O地址不要超過(guò)200。QW100～QW111是PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給變頻器的地址,IW100～I(xiàn)W111是PLC讀取變頻器數(shù)據(jù)的地址。CU250S-2PN的模塊組態(tài)，如圖3所示。

圖2 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

圖3 CU250S-2PN的模塊組態(tài)

3.2 TP700的監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁[14]。為了實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的可視化監(jiān)控，要在畫(huà)面中創(chuàng)建功率模塊通電、功率模塊斷電、電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止和報(bào)警/故障復(fù)位等8個(gè)操作按鈕。創(chuàng)建1個(gè)輸入/輸出域用于輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值。創(chuàng)建功率模塊通電、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、報(bào)警、故障和診斷中斷等6個(gè)指示燈用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。創(chuàng)建顯示電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩和故障代碼、報(bào)警代碼等5個(gè)輸出域，方便使用者查看系統(tǒng)的運(yùn)行情況并及時(shí)排除故障。TP700的監(jiān)控畫(huà)面布局，如圖4所示。

3.3 PLC的程序設(shè)計(jì)

PLC程序主要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和總體設(shè)計(jì)方案，按照模塊化設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行編寫(xiě)[15]。所以創(chuàng)建了OB1、FB1、OB100、OB82等4個(gè)程序塊。OB1是系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行的主程序，F(xiàn)B1實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的收發(fā)、換算和判斷。該功能塊由OB1循環(huán)調(diào)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(jiān)控畫(huà)面

OB100完成數(shù)據(jù)初始化。OB82是I/O診斷中斷組織塊。當(dāng)通信出現(xiàn)故障時(shí)，診斷中斷指示燈點(diǎn)亮，起到提示作用。同時(shí)也避免系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)使PLC停機(jī)。模塊化編程減輕了程序的維護(hù)調(diào)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(tǒng)的調(diào)試運(yùn)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(tǒng)調(diào)試運(yùn)行狀況

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)的控制效果和觸摸屏顯示的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文為學(xué)生掌握現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供了具有一定參考價(jià)值的設(shè)計(jì)方法。新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和新一代集成化軟件TIA Portal V13的使用，使學(xué)生理解并掌握變頻器的使用方法、可視化監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)要領(lǐng)和集成化軟件的組態(tài)編程技巧，體會(huì)了新技術(shù)的高效性和優(yōu)越性，消除了學(xué)生對(duì)新知識(shí)技術(shù)的陌生感，激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)動(dòng)力和熱情。

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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(dòng)化卓越工程師計(jì)劃(11100-14Z00330)；基于動(dòng)態(tài)仿真的《電力電子技術(shù)》教學(xué)方法研究與實(shí)踐，成都理工大學(xué)教改項(xiàng)目(201643)

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

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

TP 273； TP 274

A

1006-7167(2017)04-0131-06