淺析西門子變頻器報(bào)文應(yīng)用

沈盛陽，徐 凱，郭 星

(江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

在當(dāng)前的沖壓行業(yè)中，西門子S120變頻器因其帶有矢量控制和伺服控制功能的模塊化傳動(dòng)系統(tǒng)，可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜傳動(dòng)應(yīng)用的單機(jī)和多機(jī)變頻調(diào)速裝置，并能執(zhí)行智能閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，精確控制同步和異步電機(jī)而廣受用戶的青睞。目前針對(duì)于S120變頻器主流的控制方式有兩種，一種為通過可編程控制器PLC結(jié)合S120特有的TM31模擬量模塊來控制變頻器輸出頻率的變化，通過內(nèi)部程序的運(yùn)算來達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的；另外一種就是利用S120變頻器強(qiáng)大的內(nèi)部通訊報(bào)文與PLC通信，從而控制變頻器的動(dòng)作并讀取相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如電機(jī)當(dāng)前的有功功率、電流、轉(zhuǎn)速等，以達(dá)到監(jiān)視變頻器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，便于用戶掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，保證生產(chǎn)的安全性和高效性。前者的控制方式無法讀取變頻器的各項(xiàng)參數(shù)且需額外購(gòu)買TM31模塊，既單一又增加了硬件成本，相比之下后者更適合當(dāng)前沖壓行業(yè)智能化控制的需求。

1 西門子S120變頻器報(bào)文介紹

報(bào)文是指網(wǎng)絡(luò)中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，代表上位PLC和變頻器之間通過通訊進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換。報(bào)文包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，其長(zhǎng)短不一致，長(zhǎng)度不限且可變。而對(duì)于西門子S120變頻器，報(bào)文可分為預(yù)設(shè)報(bào)文和自由報(bào)文，預(yù)設(shè)的報(bào)文又可分為兩大類：標(biāo)準(zhǔn)通訊報(bào)文和西門子自定義的制造商專用報(bào)文，標(biāo)準(zhǔn)通訊報(bào)文是基于PROFIdrive行規(guī)定義的，PROFIdrive行規(guī)是PROFIBUS和PROFINET網(wǎng)絡(luò)上對(duì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)約定的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域。制造商專用報(bào)文為西門子設(shè)計(jì)的專有報(bào)文，這些報(bào)文是根據(jù)公司內(nèi)部產(chǎn)品定義創(chuàng)建，用戶可以通過選擇這些制造商報(bào)文讓S120內(nèi)部的參數(shù)互聯(lián)，根據(jù)設(shè)置的報(bào)文編號(hào)自動(dòng)進(jìn)行處理。除了以上的兩種預(yù)設(shè)類型的報(bào)文，用戶還可以設(shè)置自由報(bào)文，即報(bào)文的功能和含義由用戶自行決定其功能，通常可以先選擇一種預(yù)設(shè)的報(bào)文，隨后修改S120變頻器參數(shù)p922=999（自定義報(bào)文），預(yù)設(shè)報(bào)文的含義關(guān)聯(lián)維持不變，這樣會(huì)方便用戶進(jìn)行后續(xù)的修改。西門子S120變頻器本身具有豐富的通訊功能，從PROFIBUS到PROFINET，從Web頁面到OPC通訊，不僅種類豐富并且可以滿足各種通訊的需求，但這些通訊都離不開基于報(bào)文的支持，可以說報(bào)文在通訊里有著舉足輕重的地位。

本文中所應(yīng)用的352-PZD6/6報(bào)文為西門子自定義的制造商專用報(bào)文，配合西門子S120變頻器驅(qū)動(dòng)高滑差電機(jī)廣泛使用在沖壓行業(yè)中，它具有6個(gè)通訊字（也叫6個(gè)PZD字）的數(shù)據(jù)交換能力，包括6個(gè)輸入字和6個(gè)輸出字，具體每個(gè)字代表的數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 報(bào)文352-PZD6/6具體數(shù)據(jù)信息

2 應(yīng)用實(shí)例

西門子公司推出的TIA Portal全集成自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案采用統(tǒng)一的平臺(tái)，可以把可編程控制器、觸摸屏的組態(tài)集中在一個(gè)開發(fā)平臺(tái)上，給用戶帶來全新的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。STARTER軟件具有SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控、修改裝置參數(shù)，故障檢測(cè)和復(fù)位，以及跟蹤記錄等強(qiáng)大功能。本文通過TIA Portal V14和STARTER5.1軟件平臺(tái)將可編程控制器S7-1500和S120變頻器進(jìn)行了充分的結(jié)合運(yùn)用，并在觸摸屏中設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，利用352-PZD6/6報(bào)文進(jìn)行通信從而控制S120變頻器驅(qū)動(dòng)高轉(zhuǎn)差電機(jī)并實(shí)時(shí)讀取其參數(shù)，此實(shí)例中S7-1500選用 CPU1513-1PN，S120變頻器選用控制單元CU310-2PN和功率單元PM340，觸摸屏選用TP1200。

2.1 TIA Portal V14組態(tài)配置

在TIA Portal V14軟件中組態(tài)包括以下內(nèi)容，添加各種類型的PLC控制器和HMI，配置各種規(guī)模的站點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，在線配置與離線配置參數(shù)，變量定義以及標(biāo)簽制作。本文中共組態(tài)3個(gè)系統(tǒng)模塊，分別由PLC模塊CPU1513-1PN、變頻器控制單元S120-CU310-2PN和觸摸屏TP1200精致面板組成。首先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求手動(dòng)分配各站點(diǎn)的IP地址，CPU1513-1PN裝配有2個(gè)PROFINET端口，用于現(xiàn)場(chǎng)層面的通信。應(yīng)用上需要注意同一系統(tǒng)的設(shè)備必須應(yīng)用同一網(wǎng)段的IP，硬件接口和軟件設(shè)置必須一致，也就是說在分配IP地址時(shí)，系統(tǒng)中的設(shè)備IP前3組數(shù)據(jù)要保持一致，最后一組可以理解為設(shè)備序號(hào)，不能重復(fù)，這樣IP分配才能成功。本例中CPU1513-1PN的 IP地址設(shè)定為 192.168.0.1，CU310-2PN的IP地址設(shè)定為192.168.0.2，TP1200的 TP地址設(shè)定為192.168.0.3，如圖1所示。

接下來分配設(shè)備名稱，每個(gè)站點(diǎn)相應(yīng)分配一個(gè)名稱如圖2所示（系統(tǒng)默認(rèn)即可）。

圖1 IP地址分配

圖2 設(shè)備名稱分配

圖3 系統(tǒng)組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)視圖

設(shè)備的名稱需要在線分配，切換到“網(wǎng)絡(luò)視圖”，點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)，選擇“分配設(shè)備名稱”，系統(tǒng)將自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)上所有的站點(diǎn)，選擇需要的設(shè)備名稱，再選擇網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)，最后點(diǎn)擊“分配名稱”按鈕進(jìn)行分配，至此通信建立完畢。圖3為已連接好的網(wǎng)絡(luò)視圖。

2.2 STARTER5.1設(shè)置

在設(shè)置STARTER5.1之前，應(yīng)特別注意優(yōu)先完成以下的工作：①電源電纜按規(guī)定的扭矩正確地連接到了變頻器功率單元組件端子上；②在調(diào)試前一定要先了解自己所買的儲(chǔ)存卡的固件號(hào)，如存儲(chǔ)卡固件為V4.8，那么請(qǐng)?zhí)崆鞍惭bSTARTER軟件對(duì)應(yīng)的4.8版本SSP包，并將存儲(chǔ)卡正確插入CU310-2PN控制單元中；③配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有必要組件都存在，并已安裝和連接。完成以上工作后打開STARTER軟件，具體設(shè)置步驟如下：

（1）在線創(chuàng)建項(xiàng)目，調(diào)用菜單“Project＞New with wizard”，點(diǎn)擊“Find drive units online”，輸入工程的名稱和保存路徑。

（2）自動(dòng)搜索節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊狀態(tài)欄“Accessible Nodes”在線搜索節(jié)點(diǎn)，選中所搜索到的節(jié)點(diǎn)右鍵“Edit Ethernet Node...”，設(shè)置 IP節(jié)點(diǎn)：192.168.0.2 子網(wǎng)：255.255.255.0，再點(diǎn)擊：Assign IP Configuration（分配 IP）。然后點(diǎn)擊：Assign name（分配設(shè)備名稱）默認(rèn)名稱即可。特別注意：IP地址和設(shè)備名稱一定要與TIA Portal組態(tài)中一致，否則無法建立通信。

（3）重新搜索節(jié)點(diǎn)，選中搜索到的項(xiàng)目點(diǎn)擊“Aceept”，然后選中項(xiàng)目導(dǎo)航器中Drive unit_1，調(diào)用菜單“Project＞Connect to selected target device”，點(diǎn)擊自動(dòng)組態(tài)“Automatic configuration”，請(qǐng)選擇Vector（矢量電機(jī)）配置相關(guān)參數(shù)，然后轉(zhuǎn)成離線狀態(tài)。

（4）配置參數(shù)，根據(jù)向?qū)гO(shè)置好需要的參數(shù)，具體設(shè)置見表2。

表2 STARTER軟件具體設(shè)置參數(shù)

2.3 PLC程序編程

首先在TIA Portal建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)塊DB35和DB36，該類型數(shù)據(jù)塊里的變量為絕對(duì)地址訪問并支持指針尋址。DB35數(shù)據(jù)塊用于存儲(chǔ)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速值，DB36數(shù)據(jù)塊用于存儲(chǔ)變頻器的過程數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4 DB36數(shù)據(jù)塊

圖5 FC14功能塊

將程序編寫在功能塊FC內(nèi)，可使程序簡(jiǎn)單明了，便于后續(xù)調(diào)用。建立CU310通訊功能塊FC14，然后在OB1主程序中進(jìn)行調(diào)用，如圖5所示。該功能塊左側(cè)為輸入值，右側(cè)為輸出值，各個(gè)管腳設(shè)置如下：左側(cè)管腳“address”用于讀取CU310-2PN的過程數(shù)據(jù)，本例中采用系統(tǒng)變量“西門子_352_PZD-6_6”報(bào)文；“ON_OFF1”用于控制電機(jī)的啟停；“acknowledge”用于系統(tǒng)故障的復(fù)位；“direction_reversal”用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；“speed_setpoint”用于轉(zhuǎn)速的給定，本例中采用DB35數(shù)據(jù)塊中DB35.DBDO；“speed_P2000”、“current_P2002”和“torque_P2003”則分別采用STARTER軟件中對(duì)應(yīng)的P2000、P2002和P2003數(shù)值。右側(cè)管腳“operation_enabled”用于輸出變頻器的狀態(tài)位，“fault_active”用于輸出變頻器的故障位，“actual_speed”用于反饋電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，“actual_current”用于反饋電機(jī)的實(shí)際電流，“actual_torque”用于反饋電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，“actual_alarm”用于反饋?zhàn)冾l器當(dāng)前的報(bào)警代碼，“actual_fault”用于反饋?zhàn)冾l器當(dāng)前的故障代碼，右側(cè)的輸出值一一對(duì)應(yīng)于DB36數(shù)據(jù)塊中的變量地址。

2.4 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

作為西門子變頻器報(bào)文應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，監(jiān)控畫面起著非常重要的作用，它實(shí)現(xiàn)了西門子變頻器智能化控制的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)基于TIA Portal平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)，根據(jù)監(jiān)控要求，監(jiān)控畫面對(duì)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、實(shí)際電流、實(shí)際轉(zhuǎn)速、變頻器報(bào)警和故障代碼進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，用戶能夠通過監(jiān)控畫面了解變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，并能根據(jù)實(shí)際需求修改電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的監(jiān)控畫面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3 結(jié)論

本文針對(duì)面前客戶的需求，給出了一種變頻器的控制方案，并編寫相關(guān)控制程序，然后在相關(guān)設(shè)備上測(cè)試和應(yīng)用，目前該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，不但實(shí)現(xiàn)了變頻器的基本控制，而且實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，使得操作者可以更直觀的掌握設(shè)備的運(yùn)行，為設(shè)備的保養(yǎng)及維修提供了數(shù)據(jù)支持。