基于多總線的PLC與變頻器通信系統(tǒng)的應(yīng)用

秦忠凱，王偉，劉寶友

（山東凱斯達(dá)機(jī)械制造有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

在生產(chǎn)線上有很多的電動(dòng)機(jī)需要長(zhǎng)期或者間歇運(yùn)行，有的需要變頻控制，有的為了更加精細(xì)地控制產(chǎn)品指標(biāo)和生產(chǎn)參數(shù)，采用多元化的控制方式，包括直接啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)、變頻器控制等。變頻器控制在自動(dòng)控制中有著舉足輕重的作用，包括啟停控制、運(yùn)行、故障、電流、頻率給定、頻率切換等方式，電機(jī)扭矩等大量的電信號(hào)需要與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用一對(duì)一硬接線的方式可以實(shí)現(xiàn)控制目的，但需要很多的接線進(jìn)入PLC模塊，這會(huì)影響系統(tǒng)的性能，工作量很大，容易出錯(cuò)，且成本高。采用多總線的PLC與變頻器通信的方式來控制電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果[1]。

本文采用由1臺(tái)西門子1516-3PN／DP CPU、2臺(tái)施耐德變頻器ATV320、2臺(tái)施耐德變頻器ATV610、2臺(tái)施耐德變頻器ATV930以及上位機(jī)組成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于多總線的PLC與不同類型變頻器的通信控制[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

鑒于所選CPU1516-3PN／DP及ATV320、ATV610、ATV930的集成特點(diǎn)和接口類型，本文采用PROFIBUS-DP（以下簡(jiǎn)稱 DP）和 MODBUS-TCP（以下簡(jiǎn)稱TCP）兩條總線同時(shí)進(jìn)行通信。CPU集成1個(gè)DP接口和2個(gè)以太網(wǎng)接口（X1和X2），分別引出DP總線和TCP總線。ATV320和ATV610需要加裝DP通信卡，采用DP方式通信，物理連接選用專用DP電纜和DP接頭。ATV930集成TCP通信卡和以太網(wǎng)接口，采用TCP方式通信，選用屏蔽網(wǎng)線和水晶頭進(jìn)行物理連接。另外還配置了一臺(tái)8口交換機(jī)。上位機(jī)采用工控機(jī)，帶有以太網(wǎng)接口和WIN10操作系統(tǒng)，安裝有博途V16版本的編程軟件和WINCC 7．5 SP2版本的上位機(jī)軟件。最終可實(shí)現(xiàn)變頻器的啟停控制、運(yùn)行顯示、故障報(bào)警、頻率給定、電流顯示等功能。

2 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)硬件連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)包括兩條通信總線，即DP和TCP總線。DP通信是采用DP電纜和DP通信接頭連接所有設(shè)備。TCP通信是采用屏蔽網(wǎng)線和水晶頭連接所有設(shè)備。CPU、電腦、變頻器每一路都是單獨(dú)連接至交換機(jī)。另外，CPU與其他IO站的通信是采用PROFINET通信[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在DP接頭上，有一個(gè)進(jìn)線孔（In）和一個(gè)出線孔（Out），分別連接至前一個(gè)站和后一個(gè)站。每個(gè)物理網(wǎng)段兩個(gè)終端站點(diǎn)上的接頭，需要將DP電纜連接在進(jìn)線口“In”，同時(shí)將終端電阻設(shè)置為“On”。位于網(wǎng)段中間的站點(diǎn)，需要依次將DP電纜連接在進(jìn)線口“In”和出線口“Out”，同時(shí)將終端電阻設(shè)置為“Off”。兩個(gè)終端站點(diǎn)的進(jìn)線口“In”、中間站點(diǎn)的進(jìn)線口“In”、中間站點(diǎn)互相之間的進(jìn)線口“In”和出線口“Out”連接時(shí)，“A”端子連接“A”端子，“B”端子連接“B”端子。

DP電纜在插頭內(nèi)接線時(shí)，須將屏蔽層剝開，壓接在插頭內(nèi)的金屬部分，該金屬部分與Sub-D插頭外部的金屬部分相連，當(dāng)將插頭插于CPU或者變頻器等設(shè)備的DP接口上時(shí)，則通過設(shè)備連接到了安裝底板，而安裝底板一般是連接在柜殼上并接地的，這就實(shí)現(xiàn)了屏蔽層的接地。

網(wǎng)線與水晶頭連接采用平行（直通）線做法，兩頭同時(shí)采用568B標(biāo)準(zhǔn)，以白橙、橙、白綠、藍(lán)、白藍(lán)、綠、白棕、棕等顏色線從左到右依次排列。

3 系統(tǒng)軟件配置

電腦需要安裝博途V16版本的編程軟件以及WINCC V7．5 SP2版本的上位機(jī)軟件；還需要下載施耐德ATV320和ATV610變頻器的通信手冊(cè)，以方便查找需要通信的數(shù)據(jù)地址；同時(shí)，也需要下載ATV320和ATV610的GSD文件，以服務(wù)于DP通信硬件組態(tài)。DP通信的變頻器地址為L(zhǎng)01：3，L02：4，L03：5，L04：6。與TCP 通信的變頻器地址為L(zhǎng)05：192．168．1．11，L06：192．168．1．12。CPU 1516-3PN／DP的DP地址設(shè)置為2。X1口的IP地址設(shè)置為192．168．0．1。X2 口的 IP 地址設(shè)置為192．168．1．1。其中192．168．0．1 網(wǎng)段應(yīng)用于與其他IO 站的 PROOFINET通信，192．168．1．1 網(wǎng)段應(yīng)用于與變頻器進(jìn)行 TCP 通信。電腦的 IP 地址分別設(shè)置為 192．168．1．50 和192．168．1．51，子網(wǎng)掩碼都設(shè)置為 255．255．255．0。

4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4．1 硬件組態(tài)、編程及變頻器設(shè)置[4]

DP通信需要進(jìn)行變頻器硬件組態(tài)、GSD文件設(shè)置、編程等工作，變頻器本體不需要設(shè)置。首先添加CPU，應(yīng)找到對(duì)應(yīng)的型號(hào)CPU 1516-3 PN／DP，再添加ET-200SP分站的模塊，對(duì)應(yīng)地添加數(shù)字量和模擬量模塊，應(yīng)與硬件的順序保持一致。DP通信硬件組態(tài)圖如圖2所示。分別導(dǎo)入ATV320和ATV610的GSD文件，在硬件設(shè)備中找到ATV320和ATV6xxx，分別添加到硬件組態(tài)中。GSD文件設(shè)置圖如圖3所示。GSD文件中地址的意義如下：8501代表命令字，可以向變頻器發(fā)出控制命令，例如啟動(dòng)、停止等；8502代表頻率給定字，可以向變頻器給定運(yùn)行頻率；3201代表設(shè)備的狀態(tài)，可以讀取到設(shè)備的運(yùn)行、過載、熱狀態(tài)等；3202代表輸出頻率，可給定變頻器的頻率，并最終輸出頻率值；3204代表變頻器的運(yùn)行電流，變頻器帶電運(yùn)行后可顯示設(shè)備的運(yùn)行電流；3205代表設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)時(shí)讀出電機(jī)的力矩大小百分比。DP通信編程圖如圖4所示。分別調(diào)用不同的數(shù)據(jù)塊，整數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)、實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)整數(shù)，對(duì)采樣電流和輸出頻率信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，對(duì)上位機(jī)給定的頻率進(jìn)行實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)整數(shù)處理并給定到變頻器。

圖2 DP通信硬件組態(tài)圖

圖3 GSD文件設(shè)置圖

圖4 DP通信編程圖

TCP通信不需要進(jìn)行變頻器硬件組態(tài)，只需要進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的設(shè)置和編程及變頻器的設(shè)置等工作。TCP通信配置圖如圖5所示。TCP通信編程圖如圖6所示。

圖5 TCP通信配置圖

圖6 TCP通信編程圖

ATV930變頻器設(shè)置步驟如下：通信（COM）-＞Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線（Md1）-＞Modbus地址（Add），設(shè)置為“1”，所有變頻器都設(shè)置為 1；通信（COM）-＞嵌入式以太網(wǎng)配置（EtE）-＞IP模式內(nèi)嵌以太網(wǎng)（IP ModeEther．Embd），設(shè)置為“固定”；通信（COM）-＞嵌入式以太網(wǎng)配置（EtE）-＞IP地址，分別設(shè)置為192．168．1．11 和 192．168．1．12；通信（COM）-＞嵌入式以太網(wǎng)配置（EtE）-＞子網(wǎng)掩碼，設(shè)置為 255．255．255．0，所有變頻器都設(shè)置為255．255．255．0。

4．2 上位機(jī)界面操作

在WINCC上可以操作設(shè)備，可以進(jìn)行啟動(dòng)、停止、頻率給定等操作，也可以查看泵狀態(tài)，例如運(yùn)行、過載、故障、綜合故障、運(yùn)行頻率、電流信號(hào)等，還可以進(jìn)行其他一些重要參數(shù)的安全控制等，例如緊急停止、釋放現(xiàn)場(chǎng)操作權(quán)限等。

4．3 程序下載和界面激活[6]

在程序編譯和下載后，可在上位機(jī)上給定頻率、啟動(dòng)設(shè)備、監(jiān)控程序并查看設(shè)備的運(yùn)行情況等，可以讀取變頻器的運(yùn)行頻率和電流以及變頻器的運(yùn)行狀態(tài)等，可通知設(shè)備或恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)。在維修狀態(tài)下，點(diǎn)擊緊急停止按鈕，可以保證安全操作。點(diǎn)擊現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕，按鈕站可以直接操控設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了西門子S7-1500 PLC與施耐德變頻器ATV320和ATV610的PROFIBUS-DP通信以及與ATV930變頻器的MODBUS-TCP通信。本文采用多總線方式與不同類型的變頻器之間進(jìn)行通信，豐富了自動(dòng)化生產(chǎn)線上自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方案，提高了變頻器的擴(kuò)展控制能力，簡(jiǎn)化了變頻器控制的傳統(tǒng)接線方式，也大大提高了數(shù)據(jù)的提取和控制能力。實(shí)踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可為大型工業(yè)控制設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。