基于PROFINET通信的变频调速系统设计与研究

张 晴, 任家富, 徐廷生, 李琳琳

(1．成都理工大学 核技术与自动化工程学院， 成都 610059； 2. 78010部队, 成都 610041)

基于PROFINET通信的变频调速系统设计与研究

张 晴1, 任家富1, 徐廷生2, 李琳琳1

(1．成都理工大学 核技术与自动化工程学院， 成都 610059； 2. 78010部队, 成都 610041)

PLC控制变频器的常用方法有两种。一种是I/O端口传递信号，另一种是总线通信。PROFINET现场总线具有省配线、控制功能多、传输速度快、传输距离远等诸多优点，因此在自动化控制领域得到广泛应用。为了实现基于PROFINET现场总线的PLC和变频器通信，需要对变频器众多的参数进行设置，对PLC和变频器进行硬件组态，编写程序收发通信数据并对其进行换算、判断。在G120相关参数设置的基础上，以S7-300系列PLC、触摸屏TP700和变频器G120的PROFINET通信为例，阐述PROFINET通信网络的硬件组态方法和程序设计技巧。本文的研究结果有助于提高学生的知识技术水平和理论应用于实际的能力。

PROFINET现场总线； 变频器G120； 硬件组态； 程序设计技巧

0 引 言

我校电气工程系引进了西门子S7-300自动化控制实验装置，该装置主要由CPU314C-2PN/DP、触摸屏TP700、变频器G120、三相异步电动机等多个部件组成。可实现PROFIBUS和PROFINET现场总线通信、运料小车控制、配料搅拌控制、三相异步电动机变频调速等多个实验教学项目。PLC在工业生产的所有领域得到了广泛的使用[1]。SIMATIC S7-300是西门子生产的中型PLC[2]。模块化结构的变频器G120由可拆卸的、可选型号的功率模块、控制模块和操作面板三部分搭配组成[3]。现场总线是构成整个工业网络的基础[4]。已成为全球自动化技术的热点[5]。该装置为学生学习先进的自动化控制技术提供了良好的平台。而西门子技术服务部门提供的是只支持英文版操作系统的集成化软件PCS7，这给教学和研究工作带来了不便。为了该实验装置的推广使用，应用中文版的TIA Portal V13集成化软件进行实验项目的重新设计，从中选择具有代表性的、难度大的基于PROFINET通信变频调速系统进行讲解，使同学们能熟练掌握新的理论知识及其应用技术。激发学生的学习兴趣和提高他们的专业技能[6]。

1 PROFINET现场总线通信基础

1.1 PROFINET总线网络的连接

CPU314C-2PN/DP、TP700、G120具有支持PROFINET通信的PN端口，可直接用4芯双绞线把三者连接成PROFINET I/O总线网络。ROFINET I/O是指用以太网连接以PROFINET协议通信的分散设备[7]。一个PN智能设备功能不但可以作为一个智能处理单元处理生产工艺过程，而且可以和IO控制器之间交换过程数据[8]。S7-300和G120采用通信报文格式交换数据[9]。G120的结构和PROFINET总线网络的连接，如图1所示。

1.2 PROFINET的通信报文

在西门子报文352通信方式下，PLC和变频器之间交换的数据为6个字。PLC向变频器发送控制字1、转速设定值和其他过程数据，控制电动机的工作状态；变频器返回状态字1、电动机转速实际值、电动机电流实际值、电动机转矩实际值、报警和故障代码。通信数据定义见表1。

表1 西门子报文352的通信数据

常用的STW1有：047FH(电动机正转)、0C7FH(电动机反转)、047EH、047CH、047AH(电动机停止)，04FEH(故障/报警复位)[10]。NSOLL_A的设定值16384对应变频器参数P2000所设定的参考速度，设定值与电动机转速n的换算式为：

(1)

例如，P2000的参数值为1 500r/min，如果使电动机转速变为1 200r/min，那么NSOLL_A的值=1 200×16 384÷1 500=13 107。NSOLL_A的值是4 096，电动机转速=4 096×1 500÷16 384=375r/min。

ZSW1返回电动机的工作状态。通过对其数据分析判断，可得到电动机的旋转方向、是否出现故障和报警等信息。ZSW1的b1位表示电动机是否运行，b3位表示是否出现故障，b7位表示是否出现报警，b14位表示电动机旋转方向。NIST_A是二进制数据，需要经过下式换算才能得到单位为r/min的电动机转速：

(2)

IAIST_GLATT是二进制数据，需要经过下式的换算才能得到单位为A的电动机电流：

(3)

MIST_GLATT是二进制数据，需要经过下式的换算才能得到单位为N·m的电动机转矩：

(4)

2 G120的参数设置

G120控制模块CU250S-2PN的参数有很多，参数设置正确与否是整个系统运行成功的关键。

2.1 电动机的参数设置

参数号P0300～P0399是设定电动机的参数[11]。针对三相异步电动机的参数设置见表2。

2.2 控制方式的参数设置

表2 CU250S-2PN的三相异步电动机参数设置

CU250S定义了18种预定义接口宏，每种宏对应一种控制方式。选择其中一种宏后，变频器会自动设置相对应的参数[12]。通过修改P0015的参数值来选择接口宏，修改P0015参数值时，要先设置P0010=1，才允许修改P0015，修改完毕后再设置P0010=0，才能使参数改动有效。

2.3 通信方式的参数设置

硬件组态和变频器参数设置要求相同的通信协议和通信报文格式。变频器的参数P2030设置通信协议，参数P0922、P2079设置通信报文格式[13]。G120的控制和通信方式参数设置见表3。

表3 G120的控制和通信方式参数设置

3 变频调速监控系统的设计

为了实现PROFINET现场总线通信，除了设置变频器相关参数外，还要完成PROFINET网络的硬件组态、人机界面监控画面设计和数据的收发、换算、判断的程序编写等步骤。

3.1 网络与设备的硬件组态

创建由CPU314C-2PN/DP(订货号：314-6EH04-0AB0)、触摸屏TP700(订货号：6AV2124-0GC01-0AX0)、G120的控制模块CU250S-2PN(订货号：6SL3246-0BA22-1FA0)组成的PROFINET网络，设置3台设备的IP地址和设备名称，要求IP地址都在同一网段中，IP地址的子网掩码相同。PLC的IP地址设为192.168.2.2和设备名称取为plc_1。TP700的IP地址设为192.168.2.4和设备名称取为hmi_1。G120的IP地址设为192.168.2.5和设备名称取为g120_1。设备和网络的硬件组态，如图2所示。

PLC和CU250S-2PN建立伙伴关系，CU250S-2PN添加SIEMENS telegram 352模块，其I/O地址不要超过200。QW100～QW111是PLC发送数据给变频器的地址,IW100～IW111是PLC读取变频器数据的地址。CU250S-2PN的模块组态，如图3所示。

图2 设备与网络组态

图3 CU250S-2PN的模块组态

3.2 TP700的监控画面设计

人机界面装置是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁[14]。为了实现变频调速的可视化监控，要在画面中创建功率模块通电、功率模块断电、电动机的正转、反转、加速、减速、停止和报警/故障复位等8个操作按钮。创建1个输入/输出域用于输入转速设定值。创建功率模块通电、正转、反转、报警、故障和诊断中断等6个指示灯用于显示系统工作状态。创建显示电动机的实际转速、电流、转矩和故障代码、报警代码等5个输出域，方便使用者查看系统的运行情况并及时排除故障。TP700的监控画面布局，如图4所示。

3.3 PLC的程序设计

PLC程序主要根据系统的功能要求和总体设计方案，按照模块化设计的思路进行编写[15]。所以创建了OB1、FB1、OB100、OB82等4个程序块。OB1是系统循环执行的主程序，FB1实现通信数据的收发、换算和判断。该功能块由OB1循环调用[16]。OB1和FB1的程序流程图，如图5所示；OB1的部分梯形图程序，如图6所示。

图4 可视化监控画面

OB100完成数据初始化。OB82是I/O诊断中断组织块。当通信出现故障时，诊断中断指示灯点亮，起到提示作用。同时也避免系统出错时使PLC停机。模块化编程减轻了程序的维护调试难度。OB100和OB82的程序流程图，如图7所示；FB1的部分梯形图程序，如图8所示；系统的调试运行状况如图9所示。

图5 OB1和FB1的程序流程图

图6 OB1部分梯形图程序

(a) OB100初始化程序块 (b) OB82诊断中断程块

图7 OB100和OB82的程序流程图

图8 FB1部分梯形图程序

图9 系统调试运行状况

4 结语

实验结果表明，电动机的控制效果和触摸屏显示的数据达到预期目标。本文为学生掌握现场总线通信技术应用于自动化控制系统提供了具有一定参考价值的设计方法。新型实验设备和新一代集成化软件TIA Portal V13的使用，使学生理解并掌握变频器的使用方法、可视化监控画面的设计要领和集成化软件的组态编程技巧，体会了新技术的高效性和优越性，消除了学生对新知识技术的陌生感，激发了同学们的学习动力和热情。

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Design and Study of the Frequency Converting System Based on the PROFINET Communication

ZHANGQing1,RENJiafu1,XUTingsheng2,LILinlin1

(1. School of Nuclear Technology and Automation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. NO.78010 Troops of PLA, Chengdu 610041, China)

There are two common PLC methods for the control of converter. One is used I/O ports to transfer signal, the other is bus communication. There are many advantages, such as wiring saving, various control functions, fast transmission speed, long transmission distance and so on, for the PROFINET field-bus, which has been widely used in the automatic control field. In order to implement the communication between PLC and converter based on the PROFINET filed-bus, it is necessary to set up the parameters of inverter G120, to set up the hardware configuration of PLC and converter, to write the communication program for sending and receiving data, and then to carry out the conversion and judgment program. The whole process of program designing and debugging is very complex, and requires abundant knowledge and experience of real application. Because of the difficulty of understanding, the students are hard to master the communication between PLC and converter. This article gives an example of PROFINET communication of S7-300 series PLC, the touch panel TP700 and the converter G120. The example can help to explain the method and set the parameters of G120, to describe the hardware configuration method and the programming skill of PROFINET network. The discussion and results of this article can improve the knowledge and technology levels of students, hence, are helpful to improve the ability of students in using the studied knowledge for solving the practical problems.

PROFINET field bus; converter G120; hardware configuration; programming skill

2016-07-11

四川省电气工程及其自动化卓越工程师计划(11100-14Z00330)；基于动态仿真的《电力电子技术》教学方法研究与实践，成都理工大学教改项目(201643)

张 晴(1969-)，男，重庆江津人，本科，讲师，主要从事自动化控制的教学和研究。

Tel.：18180432578，028-84076906； E-mail：373748442@qq.com

TP 273； TP 274

A

1006-7167(2017)04-0131-06