基于PROFINET IO的S7-1200控制器與 G120變頻器通訊

張芬， 蔚騰

(1.西安航空職業技術學院,自動化工程學院，陜西,西安 710089；2.航空工業西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西,西安 710089)

0 引言

PLC、變頻器、觸摸屏是當前自動化設備經常用到的核心產品，通過該類產品可實現多樣化的控制，如生產流水線、機械手、自動包裝機控制等。實現上述多種自動化控制的前提是要實現各產品間的通訊，PLC與變頻器間的通訊方式可以采用開關量信號控制、模擬量信號控制、RS485通信方法控制等，但此類控制具有無法實現精細的速度調節、系統的穩定性和可靠性差、編程工作量較大等缺點，使用PROFINET，可以將分布式I/O設備直接連到工業以太網，與PLC進行高速數據交換[1]。Profinet通訊速度快,安全可靠,特別適用于對控制系統實時性要求較高的3C行業[2]。該文介紹如何通過 PROFINET 總線實現西門子 S7-1200PLC與G120變頻器間的通訊方法。

PROFINET是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，是工業以太網應用在現場級的一種實施協議[3],可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線(如PROFIBUS)技術；它使用TCP/IP和IT標準[4],為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案。S7-1200PLC控制器是西門子系列PLC的新產品，可滿足各種自動化設備的控制要求,其CPU集成的以太網接口支持工業現場總線 Profinet協議，可實現與編程設備、人機界面等設備進行通信。西門子變頻器G120具有強大的通訊功能，能和多個設備之間進行通訊，使用戶可以方便的監控變頻器的運行狀態并修改參數，用戶在使用G120時，可以通過PROFINET進行通訊，使得操作更加簡單并減少了接口數量。

1 系統總體方案設計

所設計的系統采用西門子S7-1200PLC作為數據采集核心處理單元,實現從管理級到現場IO設備的以太網解決方案[5]。系統包含G120變頻器和觸摸屏，它們均有以太網接口，三者之間采用以太網通信，構成了一個小型局域網，其中采用了CSM1277作為小型交換機。S7-1200PLC是西門子公司的新一代小型PLC,具有集成的PROFINET接口，具有強大的集成功能，可以為各種小型設備提供簡單的通信和有效的解決方案。G120變頻器具有簡潔的操作面板、良好的控制功能，其強大的控制功能使它在自動控制領域得到廣泛應用。本系統上位機中采用西門子KTP700觸摸屏做人機界面，該觸摸屏集成有以太網接口，通過該接口可以簡單方便地實現與S7-1200PLC的通訊功能[6]，實現對G120變頻器下達命令及接受數據。下達的命令包括啟動命令、停止命令、轉速設定命令；接收數據包括變頻器的轉速、電流、電壓、功率及溫度信息。系統采用PROFINET網絡結構，這是一種應用廣泛的工業控制網絡[7]。

KTP700觸摸屏與S7-1200PLC之間用以太網通信，KTP700觸摸屏將下達命令信息發送至S7-1200PLC,S7-1200PLC按照G120報文定義的地址，將信息傳送至相應地址；同時S7-1200PLC將讀取到的變頻器信息發送至KTP700觸摸屏，用于顯示各類信息。S7-1200PLC與G120變頻器之間用以太網通信，S7-1200PLC控制G120變頻器的運行與停止。G120變頻器的各類參數設置既可以通過智能型操作面板設置，也可以通過博圖軟件在線設置。系統硬件結構示意圖見圖1。

圖1 硬件結構示意圖

2 系統硬件組態

2.1 系統硬件配置

系統的控制單元為西門子新型控制器S7-1200PLC，其CPU型號為l2l4C DC/DC/DC，編程軟件為博圖V14，基于該平臺，可以實現PLC邏輯控制、G120變頻器調試及觸摸屏上位組態功能[6]。變頻器G120的控制單元為 CU250S-2PN，支持基于PROFINET的周期過程數據交換和變頻器參數訪問。觸摸屏為西門子7寸顯示屏KTP700，該屏為精簡面板、按鍵操作，具有PROFINET接口。具體型號如表1所示，硬件組態界面如圖2所示。

圖2 系統硬件組態圖

表1 設備型號一覽表

設置電腦IP地址為192.168.0.127。按以下方法分配變頻器 IP 地址：打開“在線并診斷”窗口，點擊“分配 IP 地址”，輸入為變頻器分配的 IP 地址和子網掩碼，本示例 IP 地址 192.168.0.3、子網掩碼 255.255.255.0，單擊“分配 IP 地址”按鈕完成變頻器 IP 地址的分配。同樣的方法設置PLC的IP地址為192.168.0.1，HMI的IP地址為192.168.0.2。

2.2 PROFINET報文結構

PKW和PZD合稱通訊報文，是一幀通訊報文里的2個不同數據區域。PKW為參數識別ID數據區，主要的功能是變頻器參數的讀寫，通過PLC來寫入一定代碼，變頻器響應讀取代碼后按代碼修改變頻器參數，PZD為過程數據區，變頻器的啟停、正反轉、速度給定屬于過程數據，PZD報文包括常用的控制字、狀態字指令，只需在PLC程序中對參數對應的地址進行讀寫操作即可[8]。

報文1為16位轉速控制，長度為2個字；報文2為32位轉速控制，長度為3個字。本文設定報文為999，可自由定義報文長度及各字含義，報文結構如圖3所示。

圖3 報文結構及報文999含義

S7-1200PLC通過PROFINET PZD通訊方式將控制字1(STW1)和主設定值周期性的發送至變頻器，變頻器將狀態字 1、實際轉速、實際電流、實際電壓、實際功率、實際溫度等信息發送到 S7-1200PLC。

常用控制字為 047E(16 進制)表示停車、047F(16 進制)表示正轉啟動；速度設定值要經過標準化，變頻器接收十進制有符號整數16 384(4000H 十六進制)對應于 100%的速度[9]，接收的最大速度為32 767(200%)。

2.3 G120 的報文配置

在G120變頻器“調試”→ “調試向導”→ “設定值/指令源的默認值”中，選擇I/O的默認配置為“[7] 現場總線”，選擇報文配置為“[999]使用BICO的自由報文設計”，配置電機參數為：額定電流P305=1.4A,額定功率P307=0.55 kW,額定轉速P311=1425rpm,額定電壓P304=380 V,額定頻率P310=50 Hz。

報文配置中，在報文一欄中選擇自由報文，長度更改為6，使通訊伙伴數據區成為I256-267和Q256-267滿足數據存放位置[10]。

在G120“參數”→“通訊”→“發送方向”中，將P2051.1--P2051.5設置為如圖內容，用于讀取變頻器的轉速實際值、電流實際值、輸出電壓、有功功率及電機溫度。變頻器參數配置如圖4所示。

圖4 變頻器參數配置

3 系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

(1)PLC變量表

PLC變量表中都作為將轉速設定值寫入變頻器的通信變量，與實際測量值連接HMI畫面顯示的通信變量，PLC變量表如表2所示。

表2 PLC變量表

(2)主程序設計

首次啟動變頻器需將控制字 1(STW1)16#047E 寫入 QW256，使變頻器運行準備就緒，然后將 16#047F 寫入 QW256 ，啟動變頻器；將 16#047E 寫入 QW256 停止變頻器[11]；將主設定值寫入 QW258，設定電機轉速；讀取 IW256 和 IW258 分別可以監視變頻器狀態字和電機實際轉速。

主程序中編寫電動機啟動、停止、正轉、反轉命令，同時從變頻器中讀取狀態字標定值、轉速標定值、電流標定值、電壓標定值、功率標定值、溫度標定值，并轉換為實際物理量輸出，主程序設計如圖5所示。

(3)功能程序設計

函數FC1作用是將一個實際的物理量(十進制實數)轉化為標定值(十六進制數范圍為0—4000的整數)，十六進制4000對應十進制數值為16384，轉換公式“標定值=(給定值×16 384)/最大值”進行轉換[12]，程序如圖5所示。

FC2作用是將讀取變頻器發送的速度標定值轉化為一個實際的物理量，顯示在HMI畫面中(圖6)。

圖6 函數FC2梯形圖

3.2 人機界面設計及調試

在博圖項目視圖中，點擊添加新設備，選擇HMI,選擇KTP700 Basic PN，添加新畫面，在畫面中添加 I/O 域、文本域、按鈕、圓形等對象，在文本域中輸入相應的文本、設置字號、顏色等，將相關對象分類排列整齊，完成后的G120 CU250S-2 PN 監控畫面，初始HMI監測組態畫面如圖7所示。圖7中可直觀讀出觀察對象(電壓、電流、溫度、轉速、功率)是否在正常范圍內方便作出緊急指令。HMI數據顯示組態畫面如圖8所示，畫面上方部分為數據顯示區、畫面下方部分為故障修復手動操作區。

圖7 總監測界面圖

圖8 數據顯示界面圖

3.3 系統調試

下載PLC程序、下載HMI程序，在人機界面中輸入轉速設定值，按下啟動按鈕，則變頻器按照設定的轉速運行，同時將電機的實時轉速、實時電壓、實時電流、實時功率傳送至人機界面。例如，輸入轉速1 000 r/m，則讀取到的轉速為1 000 r/m，此時電機溫度為30.9°C,電壓為236.9 V，電流為0.79 A，功率為0.03 kW。

4 總結

使用TIA Portal V14軟件對SIMATIC S7-1200PLC、G120變頻器、SINAMICS觸摸屏進行組態，利用PROFINET通信技術，實現了西門子 S7-1200PLC與G120變頻器之間的通訊，采用PROFINET通信協議，信號穩定，通信速度快，抗外界干擾能力強，同時通信網絡硬件連接簡單，不需要額外配以通信模塊[13]，該系統測試應用效果良好，可完整讀取PROFINET總線數據無誤碼，實驗證明此系統數據傳輸速度快，傳輸穩定可靠[5]，實現了一網到底的管控。該系統控制方式在工業控制中擁有廣泛的應用前景。