S7- 1200 對G120 多段速控制的兩種解決方案

路東興

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730207）

SIMATIC S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC PLC 是西門子公司新一代的S7-1200PLC 中性價比最高的一款，在實(shí)際工控行業(yè)種使用廣泛。其CPU 模塊集成了一路工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET 接口，同時具有多種工藝功能，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動控制等控制功能。它的設(shè)計組成緊湊小巧，硬件組態(tài)方便靈活。可以擴(kuò)展信號板、3 個通信模塊、8 個信號模塊。

SINAMICS G120 CU250S-2 PN 變頻器也是一款西門子主流的模塊化變頻器，G120 不僅具有優(yōu)越的控制性能，還具有強(qiáng)大的通信功能，方便用戶通過驅(qū)動軟件監(jiān)控和修改變頻器參數(shù)。為用戶節(jié)約成本，提高了工作效率。G120 主要包括兩個部分：控制單元（CU）和功率模塊（PM）。G120 變頻器共有6 個數(shù)字量輸入端子，有5 號、6 號、7 號、8 號、16 號、17 號端子，分別對應(yīng)DI0、DI1、DI2、DI3、DI4、DI5 通道。G120 調(diào)試一般可通過自身擴(kuò)展的IOP 和BOP 面板，也能TIA Portal（包含SINAMICS StartDrive）、Starter、SIMATIC STEP7（包含Technology）三種軟件形式進(jìn)行參數(shù)調(diào)試來實(shí)現(xiàn)多段速控制，TIA Portal 是西門子全集成自動化的一個軟件平臺，它集成了SIMATIC STEP 7、S7-PLCSIM、SIMATIC WinCC 和SINAMICS Startdrive 等不同功能的軟件，將各種工程軟件整合一體，實(shí)現(xiàn)將PLC 控制器，PC系統(tǒng)、HMI、驅(qū)動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)融合為統(tǒng)一的組態(tài)開發(fā)平臺，功能強(qiáng)大、使用簡潔。本文借助TIA Portal V15 軟件平臺實(shí)現(xiàn)電動機(jī)多段速控制，并以具體實(shí)際案例的分析運(yùn)行，提出兩種方案對S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC PLC 控制G120 CU250S-2 PN 變頻器，實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)的多段速運(yùn)行控制。

1 提出問題

實(shí)際案例：某自動化生產(chǎn)線由于產(chǎn)品加工流程需求，需要運(yùn)輸皮帶在加工周期內(nèi)完成不同速度的運(yùn)行。運(yùn)輸帶由三相異步電動機(jī)帶動。希望PLC 控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)周期內(nèi)多段速無極調(diào)速控制。PLC 選用S7-1200 CPU1214C（DC/DC/DC），變頻器選用G120。

電機(jī)具體運(yùn)行要求如下。

設(shè)計多段速電動機(jī)控制系統(tǒng)：通過啟動按鈕SB1 啟動系統(tǒng)，0s 到10s 電機(jī)以30Hz 頻率正向運(yùn)行，10s 到30s 電機(jī)以以50Hz 頻率正向運(yùn)行，30s 到40s 電機(jī)以以20Hz 頻率正向運(yùn)行，42s 到58s 電機(jī)以以50Hz 頻率反向運(yùn)行，60s 為一個周期，系統(tǒng)重復(fù)循環(huán)運(yùn)行。任意時刻按下停止按鈕SB2，電機(jī)系統(tǒng)停止。電動機(jī)上坡下坡時間均為1s。

圖1 變頻器輸出頻率曲線圖

2 分析問題

2.1 SINAMICS G120 控制單元（CU）

本文G120 采用控制單元CU250S-2 PN，圖2 為端子排接線圖。

圖2 端子排接線方式

SINAMICS G120 出廠時預(yù)定義了多種接口宏，每一種預(yù)定義的接口宏都對應(yīng)相應(yīng)的輸入接線，同時也對應(yīng)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和修改。用戶只需查看G120 調(diào)試手冊，選擇所需接口宏，進(jìn)行相應(yīng)的接線和參數(shù)設(shè)置即可最終實(shí)現(xiàn)接口宏編號對應(yīng)的控制結(jié)果。

具體根據(jù)控制要求選用宏功能，如果預(yù)定義宏的接口方式完全符合要求,那么按照該宏的接線方式設(shè)計原理圖,并在調(diào)試時選擇相應(yīng)的宏功能即可方便的實(shí)現(xiàn)控制要求。如果所有宏定義的接口方式都不能完全符合要求, 那么選擇與布線比較相近的接口宏, 然后根據(jù)需要來調(diào)整輸入輸出的配置通過參數(shù)P0015 修改宏。修改P0015 參數(shù)步驟: 設(shè)置P0010=1；修改P0015；設(shè)置P0010=0。注意:只有在設(shè)置P0010=1 時才能更改P0015 參數(shù)。本案例中需要不同頻率對應(yīng)的四種轉(zhuǎn)速，選擇預(yù)定義宏3 編號，實(shí)現(xiàn)單方向四個固定轉(zhuǎn)速。頻率50Hz 對應(yīng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500rpm。那么可以得到以下頻率和轉(zhuǎn)速關(guān)系式。

2.2 SINAMICS G120 PROFINET 通訊功能①

圖3 硬件接線圖

圖4 宏指令3 接線圖

表1 參數(shù)設(shè)置

SINAMICS G120 的控制單元CU250S-2 PN 的PROFINET功能可以實(shí)現(xiàn)的周期過程中的數(shù)據(jù)交換和實(shí)時訪問采集變頻器參數(shù)。

周期過程數(shù)據(jù)交換功能：PLC 控制器將控制字和不同的給定值等周期性過程數(shù)據(jù)發(fā)送到變頻器，而變頻器會將狀態(tài)字和實(shí)際轉(zhuǎn)速等周期性過程數(shù)據(jù)反饋回PLC 控制器種。

訪問采集變頻器參數(shù)功能：本文S7-1200PLC 訪問變頻器參數(shù)的接口，與G120 CU250S-2 PN 的PROFINET PZD 通信，PLC 控制器以組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)報文1 讀寫變頻器參數(shù)，通道固定長度2 個字，第一個為控制字，第二個字為給定速度值。

3 解決問題

3.1 變頻器數(shù)字量輸入接口中預(yù)定義接口宏控制

（1）硬件接線及參數(shù)設(shè)定。

因?yàn)榘咐笏姆N速度，故采用宏指令3。根據(jù)宏3 的要求，DI0 作為電機(jī)的啟動信號必須要一直接通。同時轉(zhuǎn)速通過數(shù)字量輸入控制。DI0 對應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速1，DI1 對應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速，DI4 對應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速3，DI5 對應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速4。如果多個DI 同時接通的情況要將DI 對應(yīng)的多個固定轉(zhuǎn)速相加。固定轉(zhuǎn)速1、2、3、4 分別通過P1001、P1002、P1003 來、P1004 來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。注意DI0 的使用，同時作為起動信號和固定轉(zhuǎn)速1,任意時刻DI0 需有信號。

設(shè)置參數(shù)可以通過TIA PORTAL 軟件平臺通過在線訪問G120 的參數(shù)視圖進(jìn)行修改。

（2）程序段。

圖5

3.2 PROFINET 通信控制方案

圖6 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)連接

（1）硬件組態(tài)及報文設(shè)定。

表2 硬件列表

表3 軟件列表

①創(chuàng)建項目。打開TIA PORTAL 項目視圖，點(diǎn)擊“添加新設(shè)備”，設(shè)備樹中選擇S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC ->6ES 67214-1AG40-0XB0。

②接著添加G120 點(diǎn)擊“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”，將硬件目錄中“其它現(xiàn)場設(shè)備 -> PROFINET IO -> Drives -> Siemens AG->SINAMICS -> SINAMICS G120 CU250S-2 PN Vector V4.6”模塊拖拽到網(wǎng)絡(luò)視圖空白處；點(diǎn)擊“未分配”，選擇主站“PLC_1.PROFINET 接口_1”，完成與PLC 的網(wǎng)絡(luò)連接。

③選擇G120，點(diǎn)擊“以太網(wǎng)地址”；分配IP 地址；保證G120 實(shí)際名稱與硬件組態(tài)中分配名稱一致。

表4 標(biāo)準(zhǔn)報文1

圖7

④完成上面的操作后，硬件組態(tài)中S7-1200 和G120 的IP地址和Device Name 就已經(jīng)設(shè)置完成。現(xiàn)在組態(tài)G120 的報文，在線訪問G120，選擇“參數(shù)”進(jìn)入?yún)?shù)視圖頁面；設(shè)置P15=7，為“現(xiàn)場總線控制”；報文選擇“標(biāo)準(zhǔn)報文1，PZD2/2”。本文中分配的輸入地址IW100、IW102，輸出地址QW100、QW102。

⑤S7-1200 PLC 采用PROFINET 通訊方式將控制字QW100 和主設(shè)定值QW02 周期性的發(fā)送至變頻器，變頻器將狀態(tài)字IW100 和實(shí)際轉(zhuǎn)速IW102 發(fā)送到PLC。啟動變頻器并正轉(zhuǎn)電機(jī)需將16#047F 寫入QW100。停止變頻器將16#047E 寫入QW100。反轉(zhuǎn)將16#0C7F 寫入QW100。速度設(shè)定值要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化計算，變頻器接收十進(jìn)制有符號整數(shù)16384（4000H 十六進(jìn)制）對應(yīng)于100%的速度。

根據(jù)之前電動機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，得到主設(shè)定值（NSOLL_A）與頻率的關(guān)系式，將16#設(shè)定速度值寫入QW102。

（2）程序段。（圖7）

注釋

①SIEMENS、S7-1200 與G120 CU250S-2 PN 的PROFINET 通訊第一部分 控制變頻器的起停和調(diào)速、https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109477456、2015 年6 月15 日。