基于PROFIBUS-DP的西門子S7-1500 PLC與ACS5000變頻器通信的應用

熊國健

（新余鋼鐵集團自動化部，江西 新余 338000）

0 引 言

在石油行業(yè)中，壓裂泵送設備能向井內(nèi)注入高壓、大排量壓裂液，并將地層壓開關支撐劑擠入裂縫，用于開采頁巖氣。目前，市場上常使用的壓裂泵送設備主要為柴油機驅(qū)動壓力泵，但其調(diào)速和控制不靈活。因此，研究提出以變頻驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機驅(qū)動，以實現(xiàn)對壓裂泵的變頻控制。

1 網(wǎng)絡通信的原理分析

PROFIBUS是具有較強應用性的現(xiàn)場總線，能夠滿足工業(yè)數(shù)據(jù)存取的相關需求，也是目前國際標準IEC61158的重要構成[1]。PROFIBUS可提供PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP以及PROFIBUS-DA這3種協(xié)議類型，其中PROFIBUS-DP能精簡7層通信標準模型中第一層和第二層的結構，一定程度上提高了網(wǎng)絡的傳輸效率。PROFIBUS-DP主要應用于現(xiàn)場、分布式I/O設備以及PLC間的通信過程，采用RS485技術，使用光纖和屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，傳輸效率9.6～12 Mb/s[2]。研究中，ACS5000變頻器通過PLC與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的接口相連，由PROFIBUS OPT-C3選件板實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而西門子PLC可通過CPU的DP口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，具體數(shù)據(jù)傳輸結構如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸結構示意圖

在主站PLC和變頻器周期性通信過程中，選用PPO作為PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)傳輸格式。PPO是通信對象，在不同類型的PPO中有不同數(shù)據(jù)格式。PPO由參數(shù)區(qū)和過程數(shù)據(jù)區(qū)構成。過程數(shù)據(jù)區(qū)與參數(shù)區(qū)彼此獨立，能用于處理不同任務。其中，參數(shù)區(qū)能用于設置或讀取變頻器參數(shù)，包括變頻器的給定頻率、變頻器啟停控制設置等[3]。PPO數(shù)據(jù)結構如圖2所示。

圖2 PPO數(shù)據(jù)結構圖

圖2中，不同的空格代表一個字符，參數(shù)區(qū)包括參數(shù)標識、參數(shù)索引以及參數(shù)值，過程數(shù)據(jù)區(qū)包括控制字狀態(tài)字、給定值以及實際值。由于過程數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)中存在較多的讀取電量，因此PLC數(shù)據(jù)傳輸和變頻器傳輸可以選擇PPO5。由于過程數(shù)據(jù)可滿足整個通信中指令的讀寫需求，因此參數(shù)區(qū)無需設置該功能，可以用0表示。過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD中，主站給從站任務報文字的控制，各個字位含義如表1所示。

表1 各字位含義描述

2 適配器以及網(wǎng)關配置

在S7-1500變頻器中采用光纖通信格式，但由于西門子S7-1500 PLC無法實現(xiàn)光纖通信，因此要想構建兩者通信需要使用雙方均能支持的協(xié)議。研究采用PROFIBUS-DP協(xié)議，該協(xié)議是一種低成本、高效率的通信協(xié)議，可用于分散式I/O設備與設備級控制系統(tǒng)間的有效通信。此外，研究中使用型號為NPBA-02 PROFIBUS的適配器[4]。

模塊能用于PROFIBUS-DP系統(tǒng)與ACS1500變頻器器的連接，實現(xiàn)外部總線模塊通過PROFIBUSDP，進而控制速度、力矩以及給定信號，讀取PLD調(diào)節(jié)器的信號、實際信號以及狀態(tài)信號的實際值，改變傳動參數(shù)和故障復位等多個功能。在周期性通信中，PROFIBUS-DP協(xié)議采用PPO報文格式該報文結構可分為參數(shù)標識和過程數(shù)據(jù)兩個部分。圖3為主、從站硬件組態(tài)圖。

3 變頻器與PLC的通信過程分析

從主站組態(tài)上來看，S7-1500 PLC為主站。在具體的組態(tài)過程中，需要打開step7軟件在PLC中新建工程，右鍵后插入雙擊HARDWARE選項，自動進入HWCONFIG窗口，并點擊圖標打開相對應的硬件目錄，按照硬件安裝順序和訂貨號依次插入電源、CPU通信模塊以及輸入和輸出模塊。進一步插入CPU模塊后彈出PROFIBUS的組態(tài)界面，將其設為2地址定義。點擊PROPERTIES后，將傳輸速率設為1.5 Mb/s[5]，行規(guī)設為DP。

從站組態(tài)分析，ACS5000變頻器作為從站，通過變頻器操作面板可以將其變頻器控制設為總線控制方式，變頻器地址設為5，選擇PPO5作為通信數(shù)據(jù)結構。在step7中打開PLC工程進入HWCONFIG窗口，點擊CATALOG圖標后打開相對應的硬件目錄，拖動PPO5使其到達PROFIBUS總線，設置從站地址為5，傳輸速率為1.5 Mb/s，與操作面板參數(shù)保持一致。

4 編寫通信程序

首先，構建數(shù)據(jù)庫。需要構建DB3和DB4數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)地址，需要與變頻器從站中的數(shù)據(jù)區(qū)相對應，其中發(fā)送數(shù)據(jù)儲存區(qū)為DB3，接收數(shù)據(jù)儲存區(qū)為DB4。其次，過程數(shù)據(jù)區(qū)的讀寫。在step7中對過程數(shù)據(jù)讀寫過程中需要調(diào)取功能塊，包括sfc14和sfc15。構建數(shù)據(jù)塊后，需要在DB1中調(diào)用通信功能模塊，實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)和參數(shù)區(qū)的讀寫[6]，其中sfc14用于讀取變頻器數(shù)據(jù)，scf15用于將數(shù)據(jù)寫入變頻器。最后，變頻器的寫入操作。為結合控制字和給定值的定義，使變頻器正向啟動，需要使其轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min，發(fā)送047fh到達CW控制字，發(fā)送2710h到達REF給定值，變頻器正向啟動程序如圖4所示，讀取變頻器運行及儲存于DB4的程序如圖5所示。

圖3 主、從站硬件組態(tài)圖

圖4 變頻器正向啟動程序圖

圖5 讀取變頻器運行及儲存于DB4的程序圖

5 結 論

研究基于PROFIBUS-DP技術實現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)，一定程度上改變了過去I/O配置方式，減少了使用電纜數(shù)量和接線工作量，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性，能實現(xiàn)對變頻器的遠程監(jiān)控和故障診斷，使其具有靈活的系統(tǒng)組態(tài)和良好的拓展性。隨著PROFIBUS-DP網(wǎng)絡技術的發(fā)展，它將在控制領域獲得更加廣泛的應用。