西門子PLC的工程應用系列講座第3講 西門子PLC與施耐德電氣變頻器在復合機上的應用

浙江工商職業技術學院　李方園

?

西門子PLC的工程應用系列講座
第3講 西門子PLC與施耐德電氣變頻器在復合機上的應用

浙江工商職業技術學院李方園

摘要：PROFIBUS-DP是一種經過優化的通訊協議，有較高的數據傳輸率，適用于系統和外部設備之間的通信。本文主要闡述了西門子PLC與施耐德電氣變頻器在復合機上的應用。

關鍵詞：西門子PLC；復合機；變頻器；PROFIBUS

1　概述

PROFIBUS是目前工控系統中最成功的現場總線之一，在工業生產中得到了廣泛應用，比如PLC與變頻器的通訊就可以采用PROFIBUS-DP現場總線。PROFIBUS是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口協議進行信息的交換；它允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時間要求苛刻的自動化控制系統中。PROFIBUS-DP現場總線系統可使許多現場設備（如PLC、變頻器、智能變送器等）在同一總線進行雙向多信息數字通訊，因此可方便地使用不同廠家生產的控制系統相互連接成通訊網絡。

2　復合機中變頻器與PLC的配置

復合機是紙塑加工中的重要設備，所謂復合是指通過某種工藝方法，將兩種或兩種以上的材料層合在一起，形成新的一體材料，經過復合后的材料一方面保持原有材料的優點，另一方面還能彌補彼此的缺點。常見的復合方法主要有干式復合法、濕式復合法、熱熔復合法、擠出復合法和無溶劑復合法。

干式復合機的原理如圖1所示，薄膜或紙張的卷筒通過第一放卷機構的放卷架，進入上膠牽引輥，然后在復合控制箱中進行加熱處理，再與另外一層材料（由第二放卷機構控制）進行復合，最后由收卷機構進行收卷。

圖1　復合機簡圖

復合機的組成部分包括第一放卷機構、第二放卷機構、上膠電機（從動）、復合電機（主動）及收卷機構，其工藝要求主要是：速度平穩，一般能在10～150m/min的控制范圍內平穩起停；張力均衡，通過控制第一放卷段張力、第二放卷段張力、烘箱段張力及收卷段張力，保證最終收卷張力在50～250N之間，以保證適應不同的復合基材；幅寬可調，在最小幅寬～最大幅寬之間根據復合材料的不同可自由調節。

在復合機控制中，放卷和收卷通常采用專用的磁粉離合控制，而上膠電機和復合電機則由變頻器控制，即變頻器1控制上膠、變頻器2控制復合。圖2所示為采用PROFIBUS總線控制的復合機控制系統。其中PLC采用西門子S7-315 DP CPU，而變頻器則采用施耐德電氣ATV-312，兩者之間采用通訊卡進行連接，如圖3所示。戶完成PROFIBUS的簡單組態，通常把包含特定設備性能參數的電子表格稱為設備數據庫文件，即GSD文件。基于GSD文件的組態工具允許將不同供應商的設備簡單地集成到一個單一網絡中。

圖2　采用PROFIBUS總線控制的復合機控制系統

圖3　通訊卡外觀

PROFIBUS-DP 網的數據通訊速率可以從9600kbps到12Mbps。采用主從令牌方式通訊。使用中繼器可以接入126個從站。每個中繼器可接入32個從站，傳輸介質使用雙絞屏蔽電纜，如圖4所示。

設備數據庫文件以精確的格式提供對設備特性的全面描述。這些GSD文件是供應商為每種類型設備而準備并提供給PROFIBUS用戶的。GSD文件能使組態系統讀入PROFIBUS設備的特性，并在組態系統時利用這個信息。標準化的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中，既簡單又對用戶友好。

GSD文件一般可以分為以下三個部分：

（1）一般規范。這部分包括生產廠商和設備的名稱，硬件和軟件的版本狀況，支持的波特率以可能的監視時間間隔以及總線插頭的信號分配；

（2）與DP主站有關的規范。這部分包括只運用于DP主站的各項參數（如連接從站的最多臺數或上裝和下裝能力）。這一部分對從站沒有規定；

（3）與DP從站有關的規范。這部分包括與從站有關的一切規范（如輸入/輸出通道的數量和類型、中斷測試的規范以及輸入/輸出數據一致性的信息）。

在西門子S7系列的PLC組態中，需要將變頻器DP網卡的GSD文件復制到STEP 7安裝目錄下的“STEP 7/S7DATA/GSD”路徑下，然后執行“UPDATE CATALOG”操作，在“CATALOG”的“PROFIBUS-DP/Additional Field Devices/Geteway”路徑中選擇ATV-312 變頻器，即可進行組態，如圖5和圖6所示。圖7為ATV-312變頻器的通訊參數設置。

圖4　PROFIBUS-DP接線

3　在STEP7中配置ATV-31變頻器

PROFIBUS設備具有不同的性能特點，如I/O信號的數量、診斷消息、總線傳輸速度和時間監視等，這些參數對每個設備類型和供應商來說都是不同的，而且通常匯編在技術手冊內。為了幫助用

圖5　配置ATV-312變頻器GSD后的STEP 7環境一

圖6　配置ATV-312變頻器GSD后的STEP 7環境二

圖7　ATV-312變頻器的通訊參數設置

4　PPO通訊方式控制ATV-312

PROFIBUS-DP現場總線主站和從站的數據通訊遵循IEC 61158/DIN EN 50170/2標準。在復合機控制中，S7-300 PLC作為主站，ATV-312變頻器作為從站時，主站向變頻器傳送運行指令，同時接受變頻器反饋的運行狀態及故障報警狀態的信號。

通訊卡將從PROFIBUS-DP網中接收到的過程數據存入雙向RAM中，每一個字都被編址，在變頻器端的雙向RAM可通過被編址參數排序，向ATV-312變頻器寫入控制字、設置值或讀出實際值、診斷信息等參量。

變頻器現場總線控制系統若從軟件角度看，其核心內容是現場總線的通訊協議。PROFIBUS-DP通訊協議的數據電報結構分為協議頭、網絡數據和協議層。網絡數據即PPO包括參數值PKW及過程數據PZD。參數值PKW（Parameter Code Value）是變頻器運行時要定義的一些功能碼，用于讀寫參數值。過程數據PZD （Process Date）是變頻器運行過程中要輸入/輸出的一些數據值，包括控制字、設定值、狀態字和實際值，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值等。

將網絡數據這樣分類定義的目的，是為了完成不同的任務，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨立工作，從而使變頻器能夠按照上一級自動化系統的指令運行。每一幀報文被稱為PPO （Parameter Process Data Object）。PPO共有5種方式，如表1所示。

表1　PPO方式控制字

表1中，PKW 參數識別值；PZD 過程參數；PKE 參數標識；IND 變址；PWE 參數值；STW 控制字；ZSW 狀態字；HSW 主設定值；JSW 主實際值。

如采用PPO3方式，由于只有2個PZD的字。因此當主站向從站發命令時，PZD1通常定義為控制字，PZD2定義為某個設定值。從站向主站返回狀態時，PZD1是狀態字，PZD2是某個實際值。當需要更多的返回值時，就必須使用PPO4或PPO5的方式。

ATV-312 變頻器的控制邏輯如圖8所示。

圖8　ATV-312　變頻器的控制邏輯

當變頻器上電后，即進入“Disable”，其狀態字（EAT）為XX40H，對其發命令0006H，則進入“Shutdown”狀態，其狀態字為XX21H；再發命令0007H，則進入“Ready”狀態，其狀態字為XX23H；這時，發命令000FH，變頻器使電機正轉，發命令080FH，變頻器使電機反轉，狀態字都是XX27H。

當電機運行后，有3種方式使電機停止運行，其中快停，進入“Shutdown”狀態和進入“Disable”狀態。發命令000BH后，使電機進入快停狀態，狀態字是XX07H。

5　結語

綜上所述，當接好線路和PLC組態完畢后，在復合機中ATV-312變頻器和S7-300PLC的通訊，實際上是一個按照所定義的PPO通訊方式，利用程序發送控制字和設定值，接收狀態字和實際值的一個過程。

參考文獻：

[1] 周柏青, 李方園. PLC控制系統設計與應用[M]. 北京: 中國電力出版社. 2015.

[2] 李方園, 楊帆.西門子S7 PLC應用簡明教程[M]. 北京: 機械工業出版社. 2013.

[3] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實踐[M]. 北京: 機械工業出版社. 2011.

作者簡介

李方園（1973-），男，浙江舟山人，高級工程師，畢業于浙江工業大學信息學院工程碩士專業，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作，現就職于浙江工商職業技術學院。

Application of Siemens PLC and Schneider Electric Inverter in the Compound Machine

Abstract:The profibus-DP is an optimized communication protocol with a higher data transfer rate, which is suitable to apply in the communication between the system and the external device. This paper describes the application of Siemens PLC and Schneider Electric inverter in the compound machine.

Key words:Siemens PLC; Compound machine; AC inverter; PROFIBUS