職教變頻器通訊技術課程的開發與應用

【摘 要】工業自動控制網絡化為自動控制的發展方向，本文就變頻器通訊技術課程及其應用進行闡述，講解常用變頻器和PLC的通訊設置及程序設計。

【關鍵詞】職教 變頻器 通訊技術 開發與應用

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）08B-0060-06

當前的工業控制自動化正逐漸向智能化、微型化、網絡化和開放性方向發展。而當前的工業控制技術方面的職業教育仍然停留在單機控制及通過外部端子（或I/O點）控制的層面上，使得控制系統之間的連線較多，自動控制的核心器件PLC及計算機既不能完整地監控驅動設備的狀態，也不便于控制過程數據的存儲。目前工業自動化控制已走向網絡化控制，職業教育的課程跟不上，培養出來的技術人員所掌握的技術不適應企業的需求。因此，開發工業控制通訊技術方面的課程顯得尤為重要。

一、課程開發的思路

開發一個課程除了要能夠滿足未來學生工作及現在職工培訓的需要，還要考慮前瞻性、多樣性、代表性、實用性、難易程度、教學培訓設備成本等幾個方面。

（一）滿足學生就業工作的需要

現在企業追求利益最大化，招收員工要求能夠在最快的時間內學會獨立工作，同時要求，當進行設備更新時，員工能馬上熟悉新設備的使用、維護及改造。即要求學員不但要學得企業需要的技術，而且要不斷地跟上科技進步與產品更新的速度，所以，開發的課程要能滿足企業對員工的需求并有一定的前瞻性，避免學生畢業即失業的現象發生，教會學生學會學習與吸收新技術。

（二）滿足職工培訓的需要

當前，企業中的新技術、新設備只掌握在少數技術人員手中，可是這些設備中的大多數卻需要一天24小時運轉，必然地要求當班的技術工人要學會能夠及時地對設備進行保養與維護，所以需要更多的技術工人掌握這些新技術、熟悉新設備的使用。這樣，開發的課程一定要有實用性，要滿足現有職工的技術需求，使其學完即能用，同時要提高職工參加培訓的熱情。

（三）難易程度要適合職業學校在校學生及普通技術工人的學習

開發的課程要使職業中學的在校學生及普通的技術工人學得懂、會使用、能使用，因此不能涉及高深的理論，重在方法，偏向實踐。

（四）課程內容要有多樣性和代表性

開發的課程不能單一，因為授課的對象來自各個單位（或將要到各單位工作），面對不同的設備。這就要求開發的課程要有多樣性，并在多樣性的基礎上要有一定的代表性，以解決教學內容不能涉及到所有的設備產品滿足所有學員的需要的矛盾。

（五） 教學設備投入少

新課程的開發力求在滿足教學需求的同時，又要在原有的PLC、變頻器、計算機設備上不用增添太多的資金，充分利用現有設備的功能，挖掘設備可使用的潛力。比如利用設備原有的通訊口，在程序的設計、參數的設置上下工夫。

二、課程開發

開發的課程中，除了有同品牌之間的PLC和變頻器的通訊，還開發了不同品牌之間的PLC和變頻器。

課程開發選用各大企業運用較廣的三菱PLC、變頻器和西門子的PLC及變頻器。改變傳統將原有的變頻器通過外部端子和PLC連接的控制方式，采用PLC及變頻器的通訊口進行通訊的控制方式，減少系統布線，降低故障率，使監控的過程控制量更加廣泛。比較如下圖。

傳統課程采用的控制方式（圖1）

圖1

開發的課程采用的控制方式（圖2）

圖2

（一）三菱FX3U系列PLC與三菱A700系列變頻器的RS485通訊

三菱FX3UPLC與三菱A700變頻器采用RS485無協議通訊。PLC則需安裝FX3U-485-DB模塊。接好通訊線后，設置變頻器參數為RS485通訊，PLC中設置成RS485通訊，然后設計編輯程序，下載運行。

1.三菱FX3U系列PLC與三菱A700系列變頻器的RS485接線

采用RS485三線式接法（包含地線），其中，發送、接收共用一條連線。接線安裝如下圖（圖3）。

圖3

2.變頻器設置

設置參數前先將變頻器進行復位，然后再設置變頻器的參數。先設置變頻器所帶電動機的參數（電動機的參數根據實際設置），再設置變頻器的通訊參數及控制方式。通訊部分的具體參數設置如下表。

變頻器通訊部分參數設置表

參數設置值 參數設置值 參數設置值

Pr791 Pr3351 Pr3400

Pr3310 Pr3369999 Pr3411

Pr33296 Pr3379999 Pr5490

Pr33310 Pr3380 Pr5509999

Pr3342 Pr3390 Pr5511

設置完以上參數后，變頻器重新上電，按面板切換到PU模式，這時候即可以用PLC通過RS-485通訊控制變頻器。

3.PLC設置

新建工程時選擇實際通訊所用的PLC型號FX3U，雙擊“PLC參數”，在出來的窗口中做如下設置（圖4）。

圖4

4.設計程序

設計程序，使PLC能夠控制變頻器的正反轉、高低速切換，并能把變頻器的工作狀態反饋到PLC端（本程序監控變頻器的輸出頻率、輸出電流），從而可以在計算機監控界面中進行監控。程序如下（圖5）。

圖5

（二）西門子S7-200系列PLC與三菱A700系列變頻器的MODBUS通訊

西門子S7-200系列PLC最近幾年出廠的產品都帶有Port 0口Port 1口，我們利用Port 0口對PLC進行編程及監控，利用Port 1口作為與變頻器的通訊口，與變頻器的RS485口接連，用MODBUS協議進行通訊。

1.PLC與變頻器的連接

本課程用西門子S7-200PLC的Prot 0口作為編程口，使用PLC的PPI和計算機通訊；用S7-200PLC的Prot 1口作為MODBUS通訊口，S7-200PLC為MODBUS主站，三菱A700變頻器為MODBUS從站。通訊線路接線如下圖（圖6）。

圖6

2.變頻器的設置

變頻器通訊部分的參數設置如下表。

變頻器通訊部分參數設置表

參數設置值 參數設置值 參數設置值

Pr790 Pr3369999 Pr5399999

Pr3312 Pr3379999 Pr5491

Pr33296 Pr3380 Pr5501

Pr33310 Pr3390 Pr5512

Pr3340 Pr34010

Pr3351 Pr3411

設置完以上參數后，變頻器重新上電，按面板切換到NET網絡模式，這個時候可以用PLC通過RS-485用MODBUS通訊協議控制變頻器。

3.MODBUS地址對應關系

本例程程序中S7-200PLC與A700變頻器地址對應關系如下圖（圖7）。

圖7（1）

圖7（2）

4.程序設計

S7-200PLC與變頻器采用485通訊時，讀和寫是采用輪詢的方式通訊（即讀的時候不寫，寫的時候不讀，同一時刻只能讀或者寫），控制程序如下（圖8）。

圖8

通過以上程序，當把變頻器的控制字傳輸到PLC的VW100，把變頻器的給定頻率傳輸到PLC的VW110時，即可控制變頻器的運行。讀取PLC中VW200～VW210的數據，即可監控變頻器及電動機的運行情況。

（三）西門子S7-200系列PLC與西門子MM440變頻器的USS通訊

西門子S7-200的PLC與西門子MM440變頻器通過RS485口用西門子的專用協議USS協議進行通訊，這種技術應用在小型自動控制系統中。因為USS協議采用輪詢方式通訊，所以PLC所帶的變頻器不能太多，否則會因為超時而造成通訊失敗。另外，采用MM440的RS485接口（即端子板上的29和30腳）通訊時，變頻器上不能安裝PROFIBUS-DP通訊板。

1.通訊接線

用S7-200PLC的Port 1口帶5臺MM440，用USS進行通訊控制，所以要把PLC的Port 1口的3腳、8腳及DB9接口的外殼引出線分別接各變頻器的29，30，28腳。如下圖（圖9）。

圖9

2.變頻器參數設置

P0700=5 控制由USS控制

P1000=5 頻率由USS控制

P1120=2秒 加速時間設置成2秒，根據實際情況設置

P1121=2秒 減速時間設置成2秒，根據實際情況設置

P2009=0 設置USS規格化

P2010=6 RS485通訊設置成9600波特率

P2011=0 變頻器號（USS地址），其它的變頻器分別設

置成1，2，3，5號

3.控制程序

由于本例采用PLC的Port 1口進行USS通訊，所以通訊程序塊選擇庫里USS Protoco l Port 1下的程序塊。

在設計程序過程中，激活變頻器地址的設置若是采用十進制或者十六進制較容易搞錯，應該采用二進制的數據。在二進制的數據中，每一位代表一臺變頻器，若該位為1則表示該變頻器激活、若該位為0則表示該變頻器沒有激活，如下圖10中所示。

圖10

以下程序中，PLC運行，則SM0.0一直接通，執行USS CTRL指令（每臺變頻器要執行一個USS CTRL）。只要I0.0接通，則0號變頻器運行；I0.1接通，變頻器按自由慣性停車；I0.2接通，變頻器快速停車；I0.3接通，變頻器故障復位；I0.4接通，變頻器輸出所帶電機反轉；要控制變頻器的轉速，則將速度傳輸到VD10中（見圖11）。

圖11

其它站號的變頻器控制與以上類似，每臺變頻器要執行一個USS CTRL程序塊。

（四）西門子S7-300/400系列PLC與西門子MM440、6SE70變頻器的PROFIBUS-DP通訊

PROFIBUS-DP通訊為西門子公司創立的現場總線控制技術，其通訊速率快、傳輸距離遠，目前以此作為國際通用標準。變頻器要采用PROFIBUS-DP通訊必須安裝PROFIBUS-DP通訊模板，用專用的PROFIBUS-DP通訊電纜及接頭與PLC進行連接。

1.變頻器參數的設置

（1）MM440變頻器參數的設置

P0010=1 啟用快速調試方式

P0304=380V 設置電動機額定電壓

P0305=1.8A 設置電動機額定電流

P0307=0.5KW 設置電動機額定功率

P0700=6 控制信號由PROFIBUS-DP提供

P1000=6 頻率由PROFIBUS-DP提供

P1120=5S 加速時間

P1121=5S 減速時間

P0918=3 設置變頻器DP地址

（2）6SE70變頻器參數的設置

P368=6 由PROFIBUS-DP控制

P370=1 啟動簡單應用的參數設置

P53=FF 參數化的接口

P734.1=32 PZD1反饋狀態字

P734.2=148 PZD2反饋頻率

P734.3=22 PZD3反饋電流

P60=5 進入系統設置菜單

P918.01=4 PROFIBUS-DP地址

2.程序設計

以MM440為例說明。

（1）硬件組態（見圖12）。展開硬件信息欄的“PROFIBUS-DP”—“SIMOVERT”，先點擊PROFIBUS-DP網絡，再雙擊“PROFIBUS-DP”—“SIMOVERT”欄下的“MICROMASTER 4”選項掛載MM440變頻器，然后再選擇該選項欄下的“PPO1：4 PKW/2 PZD”選項。

圖12

（2）程序塊的調用及設置。展開“程序元素”欄的“庫”——“Standard Library”—“System Function Blocks”， 在該欄目下找到讀取DP從站的指令SFC14及寫DP從站的指令SFC15，將這兩個程序塊放入程序中，如圖13所示。

圖13

關于上圖的程序解釋如下，把變頻器上地址為十六進制的108（即十進制的264）開始的兩個字的過程控制的數據讀取到PLC，并存放到PLC上以地址DB1.DBX8.0開始的四個字節中（即存放到DB1.DBW8和DB1.DBW10中），同時，把存放在以地址DB1.DBX20.0開始的四個字節中的數據寫入到變頻器中，如圖14所示。

圖14

再在后續的程序中完成變頻器控制字及運行頻率的傳送，即可完成變頻器的控制，再把從變頻器讀回的數據進行計算，可得到變頻器的運行頻率。

（五）課時分配

由于該課程是在學習了PLC基礎知識及變頻器基礎知識后學習的，所以相應課時可以安排較少，建議以51課時為宜。其中三菱FX3UPLC與三菱A700變頻器通訊安排12個課時，西門子S7-200PLC與三菱A700變頻器通訊安排9個課時，西門子S7-200PLC與西門子MM440變頻器通訊安排12個課時，西門子S7-300/400PLC與西門子MM440、6SE70變頻器的PROFIBUS-DP通訊安排18個課時。由于學生的實踐經驗較少，理解能力欠缺，作為在校學生的教學課時可以適當延長。

三、課程的應用及效果

該課程在本校2008高電班、2008電技師班、2009高電班試運行。同學們的學習熱情比較高，覺得能用計算機通過PLC控制變頻器帶動電動機運行并能把變頻器的狀態、電流、頻率顯示在計算機中感到非常神奇，紛紛為能學習到一門現代工業自動控制技術而激動不已，教學效果顯著。

該課程也應用在2009～2014年的柳鋼職工培訓中，參加培訓的職工反映，該課程實用，所學知識、技能能運用在生產工作中。

該課程經過幾年的試運行，證明實用性很強，滿足了企業員工對新技術培訓的需求，適合在職業教育中作為工業自動控制內容之一使用。

【參考文獻】

[1]三菱公司.A700使用手冊（應用篇）[Z]，2005.12

[2]西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.MM440使用大全[Z]，2003.12

[3]羅紅福，等.PROFIBUS-DP現場總線工程應用實例解析[M].北京：中國電力出版社，2008.10

（責編 盧建龍）