基于PRFIBUS-DP的變頻調速控制系統研究

過慶紅（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江金華　321000）

基于PRFIBUS-DP的變頻調速控制系統研究

過慶紅
（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江金華321000）

本文介紹了PROFIBUS-DP現場總線在變頻調速系統中的應用，探討了施耐德昆騰140系列PLC和ACS800變頻器之間的軟件設置和數據通訊，列出了在CONCEPT軟件中的硬件組態過程及變頻器中的通訊參數設置，比較完整地描述了在CONCPT軟件環境下施耐德昆騰140系列PLC通過PROFIBUS-DP總線控制ABBACS800變頻器的互連通訊方法。

昆騰140系列PLCACS800變頻器重車調車機Profibus-DP現場總線

浙江浙能蘭溪發電有限責任公司使用的是折返式雙車C型翻車機，能適應C60、C61、C62、C64等常用車型及即將投入運營的新車型。重車調車機是翻車機系統中重要組成部分，承擔著將重車牽引至翻車本體及推送空車至空車線的職責，可承受編組最大重達4080噸負載列車，起動時需要巨大的啟動轉矩，在運行時要求平穩性好、沖擊小，定位準確快速，對傳動系統的啟動和制動快速性都有較高的要求。

1　電氣系統概述

電氣控制系統由工程師站、操作員站、PLC、變頻器、電機及測速編碼器組成。工程師站采用Concept編程軟件，通過Ethernet方式連接到PLC；操作員站人機界面采用Intouch軟件，通過MBE網絡協議與PLC 進行通訊；PLC采用施耐德昆騰140系列PLC，對整個翻車機系統進行邏輯控制，在重車調車機方面通過PROFIBUS-DP 總線與其6臺變頻器進行通信，讀取變頻器中各電機的速度，經過計算后向變頻器發送指令，設置各電機的速度，從而實現電機的協調運轉，保證整個系統的順利運行；變頻器采用ABB ACS800系列變頻器；驅動電機采用90KW國產電機；測速編碼器采用德國倍加福增量型編碼器。

2　基于Profibus協議的通訊實現

2.1總線通訊協議說明

根據 PROFIBUS-DP 協議的規定，數據的交換按照主從模式的原則來進行，只有主站才能對總線通訊做初始化工作，從站應答主站發送過來的請求信號。同一根總線上可以有多個主站，它們都可以讀取從站的I/O 信號，但只有一個主站可以對從站實施寫操作。在PROFIBUS-DP 總線協議中數據交換的幀格式一般稱為PPO（Parameter-Process Data-Object），PPO 包括參數識別（PKW）和過程數據（PZD） 兩部分。PKW用來讀寫非周期性數據，包括參數設定、配置和診斷；PZD用來讀寫周期性的數據。在PROFIBUS-DP 總線協議中，大致有五類PPO，其參數識別（PKW） 和過程數據（PZD）的所要求的字數都不一樣。ACS800五個類型所要求的字數如圖1所示。

在翻車機控制系統中，使用PPO第2類型，幀總長28 個字節，其中最后8個字節沒有使用到。

（1）參數識別部分：ID是參數識別，IND是數組索引號，VALUE是參數值（最大4個字節）

（2）過程數據部分：包括固定區和自由分配區兩部分，固定區包括下行的控制字和上行的狀態字，控制字包括CW和REF，狀態字包括SW和ACT。自由分配區PZD3～PZD6是可以自定義的部分。在ACS800變頻器的參數定義中，REF是速度給定值，包含1個符號位和15個整數位，負給定值以二進制的補碼形式表示反向旋轉；ACT包含傳動單元操作方面的信息，由傳動參數來定義監視功能；狀態字SW表征變頻器的狀態信息；控制字CW的定義如圖2所示。

2.2PLC與ACS800變頻器的PROFIBUS-DP模塊選擇

在昆騰140系列PLC中，CRP811模塊支持PROFIBUS-DP總線協議，在硬件組態時需要配置通訊變頻器地址，通訊數據模式，通訊波特率等參數。ACS800系列變頻器支持PROFIBUS-DP有兩種適配器型號：RPBA-01和NPBA-12，兩者與變頻器的接口不同，按照設備簡化選擇的要求采用插口式的RPBA-01適配器， RPBA-01模塊主要由電路板、總線終端器、節點選擇開關、PROFIBUS連接器組成。

2.3SYCON軟件環境下配置

施耐德的昆騰140系列PLC和ACS800變頻器不屬于同一個公司的產品，在使用編程軟件CONCEPT硬件組態的時候，不能直接識別ABB變頻器，可以通過安裝GSD 文件的方法來使CONCEPT支持ABB公司的變頻器。

SYCON軟件是一個AS-Interface、CANopen、 DeviceNet、InterBus、 PROFIBUS等系統的配置工具。將ACS800變頻器的GSD文件導入到SYCON軟件中，然后添加所使用的PROFIBUS 設備。在翻車機系統中，主要設備包括以下兩種：

（1）PROFIBUS MASTER：昆騰系列PROFIBUS通訊模板，型號為CRP81100，1個；

（2）PROFIBUS SLAVE： ACS800變頻器通訊模塊，RPBA-01，重車調車機使用了6個；

表1

表2

圖3　通訊地址設置

在SYCONV2.8中組態完所需設備并進行參數配置后，保存為Drivers.cnf。當Concept軟件中配置IO設備時，就可以直接導入這個文件，建立PLC和變頻器之間的通訊。

2.4Concept軟件環境下的配置

在Concept軟件Select Extensions對話框中設定所使用的總線控制器（CRP81100）的數目，模塊會在I/O Module Selection列表框中出現，將Drivers.cnf文件導入，步驟如下：

（1）在PLC Configuration窗口中打開I/O Map 映像對話框，選擇分站并使用“Edit…”命令按鈕打開Edit Drop 對話框；

（2）雙擊Module 欄中的瀏覽按鈕，I/O Module Selection（I/ O模塊選擇）對話框打開；在Specials欄中，選擇CRP81100模塊并按下OK命令按鈕，輸入到I/O映像中。

（3）在Edit Drop對話框中，選擇映射總線控制器 （CRP81100）所在行并按下Parameters命令按鈕， 打開Edit CRP81100 （Profibus DP）對話框，點擊“Import…”按鈕打開Select Import File窗口，指定CNF文件的路徑并按下確定命令按鈕，將Profibus DP配置導入到Concept I/O映像中。導入文件后，可以從Slave Configuration窗口中看到ACS800的GSD定義了PPO類型為2，其IN/OUT的字節數為4/6個字節。

（4）在PROFIBUS-DP節點被導入到Concept中以后，所有模塊的地址范圍和診斷數據必須按照按照字節數量大小進行編輯。

2.5ACS800變頻器的設置

變頻器與PLC采用PROFIBUS-DP現場總線連成網絡后，除在PLC自動化系統中進行編程外，在每個變頻器上也要進行適當的參數設置，主要涉及功能參數98組和51組，詳細設置如表1：

從以上的設置可以看出，PLC和ACS800之間的數據結構如表2：

3　數據傳遞及應用

在PLC和變頻器之間建立通訊之后，就可以利用狀態字（SW）及自定義參數來識別ACS800變頻器的運行狀況，利用控制字（CW）對變頻器發布控制命令和參數。現以#1重車調車機的狀態字數據中的第4位（TRIPPED）的流向來說明ACS800變頻器狀態字的反饋到PLC邏輯中直到可以使用的數據過程。

從ACS800《RPBA-01 PROFIBUS-DP 適配器用戶手冊》狀態字說明中可知，狀態字（SW）是一個16位字，包含了反應變頻器主要狀態的重要信息，其中第4位（TRIPPED）反應變頻器是否跳閘。

（1）TRIPPED信號包含在狀態字（SW）中，位于數據集2中的第1個字。在Concept軟件I/O map中CRP81100通訊模塊中定義了6個字的地址，分別是300105～300110。從圖3中可以看到PPO數據的前4個字（參數識別部分）被定義成了300101～300104。可見TRIPPED信號已經被包含在300105中。

（2）用C O N C E P T的變量編輯器將3 0 0 1 0 5定義成了“ID1_STATUS_WORD”，但它是一個“word”類型的數據，要經過轉換才能提取TRIPPED信號，使用Concept功能塊WORD TO BIT轉換成開關量信號（bit0～bit15），TRIPPED信號在第四位，因此將轉換后的bit3位進行變量命名即可使用。

4　結語

采用基于PRFIBUS-DP通訊協議實現昆騰140系列PLC對ABB公司ACS800系列變頻器控制的方法，充分發揮了 PLC 和變頻器的網絡通信功能，成功地把 PLC 和變頻器有機地結合起來，實現對交流電機的變頻調速，從而大大減少了系統布線和現場可能的各種電磁干擾，有效提高系統的穩定性和可靠性，降低了硬件成本。

［1］ACS800標準應用程序 7.x固件手冊.北京 ABB 電氣傳動系統有限公司，2006-08-22.

［2］PROFIBUS-DP適配器模塊RPBA-01用戶手冊.北京ABB電氣傳動系統有限公司，2002-6-3.

［3］Concept 2.6用戶手冊.施耐德電氣，2005年2月.

［4］翻車機系統培訓資料.浙江浙能蘭溪發電有限責任公司燃料部. 2012年11月.