基于多總線的PLC與變頻器通信系統的應用

秦忠凱，王偉，劉寶友

（山東凱斯達機械制造有限公司，山東 濟寧 272000）

在生產線上有很多的電動機需要長期或者間歇運行，有的需要變頻控制，有的為了更加精細地控制產品指標和生產參數，采用多元化的控制方式，包括直接啟動、軟啟動、正反轉啟動、降壓啟動、變頻器控制等。變頻器控制在自動控制中有著舉足輕重的作用，包括啟停控制、運行、故障、電流、頻率給定、頻率切換等方式，電機扭矩等大量的電信號需要與PLC進行數據交換，采用一對一硬接線的方式可以實現控制目的，但需要很多的接線進入PLC模塊，這會影響系統的性能，工作量很大，容易出錯，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，可以實現更好的控制效果[1]。

本文采用由1臺西門子1516-3PN／DP CPU、2臺施耐德變頻器ATV320、2臺施耐德變頻器ATV610、2臺施耐德變頻器ATV930以及上位機組成的控制系統，實現基于多總線的PLC與不同類型變頻器的通信控制[2]。

1 系統總體設計思路

鑒于所選CPU1516-3PN／DP及ATV320、ATV610、ATV930的集成特點和接口類型，本文采用PROFIBUS-DP（以下簡稱 DP）和 MODBUS-TCP（以下簡稱TCP）兩條總線同時進行通信。CPU集成1個DP接口和2個以太網接口（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通信卡和以太網接口，采用TCP方式通信，選用屏蔽網線和水晶頭進行物理連接。另外還配置了一臺8口交換機。上位機采用工控機，帶有以太網接口和WIN10操作系統，安裝有博途V16版本的編程軟件和WINCC 7．5 SP2版本的上位機軟件。最終可實現變頻器的啟停控制、運行顯示、故障報警、頻率給定、電流顯示等功能。

2 系統硬件配置

系統硬件連接網絡結構圖如圖1所示。系統包括兩條通信總線，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備。TCP通信是采用屏蔽網線和水晶頭連接所有設備。CPU、電腦、變頻器每一路都是單獨連接至交換機。另外，CPU與其他IO站的通信是采用PROFINET通信[3]。

圖1 系統硬件連接網絡結構圖

在DP接頭上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。每個物理網段兩個終端站點上的接頭，需要將DP電纜連接在進線口“In”，同時將終端電阻設置為“On”。位于網段中間的站點，需要依次將DP電纜連接在進線口“In”和出線口“Out”，同時將終端電阻設置為“Off”。兩個終端站點的進線口“In”、中間站點的進線口“In”、中間站點互相之間的進線口“In”和出線口“Out”連接時，“A”端子連接“A”端子，“B”端子連接“B”端子。

DP電纜在插頭內接線時，須將屏蔽層剝開，壓接在插頭內的金屬部分，該金屬部分與Sub-D插頭外部的金屬部分相連，當將插頭插于CPU或者變頻器等設備的DP接口上時，則通過設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，這就實現了屏蔽層的接地。

網線與水晶頭連接采用平行（直通）線做法，兩頭同時采用568B標準，以白橙、橙、白綠、藍、白藍、綠、白棕、棕等顏色線從左到右依次排列。

3 系統軟件配置

電腦需要安裝博途V16版本的編程軟件以及WINCC V7．5 SP2版本的上位機軟件；還需要下載施耐德ATV320和ATV610變頻器的通信手冊，以方便查找需要通信的數據地址；同時，也需要下載ATV320和ATV610的GSD文件，以服務于DP通信硬件組態。DP通信的變頻器地址為L01：3，L02：4，L03：5，L04：6。與TCP 通信的變頻器地址為L05：192．168．1．11，L06：192．168．1．12。CPU 1516-3PN／DP的DP地址設置為2。X1口的IP地址設置為192．168．0．1。X2 口的 IP 地址設置為192．168．1．1。其中192．168．0．1 網段應用于與其他IO 站的 PROOFINET通信，192．168．1．1 網段應用于與變頻器進行 TCP 通信。電腦的 IP 地址分別設置為 192．168．1．50 和192．168．1．51，子網掩碼都設置為 255．255．255．0。

4 通信系統設計與實現

4．1 硬件組態、編程及變頻器設置[4]

DP通信需要進行變頻器硬件組態、GSD文件設置、編程等工作，變頻器本體不需要設置。首先添加CPU，應找到對應的型號CPU 1516-3 PN／DP，再添加ET-200SP分站的模塊，對應地添加數字量和模擬量模塊，應與硬件的順序保持一致。DP通信硬件組態圖如圖2所示。分別導入ATV320和ATV610的GSD文件，在硬件設備中找到ATV320和ATV6xxx，分別添加到硬件組態中。GSD文件設置圖如圖3所示。GSD文件中地址的意義如下：8501代表命令字，可以向變頻器發出控制命令，例如啟動、停止等；8502代表頻率給定字，可以向變頻器給定運行頻率；3201代表設備的狀態，可以讀取到設備的運行、過載、熱狀態等；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代表變頻器的運行電流，變頻器帶電運行后可顯示設備的運行電流；3205代表設備的電機轉矩，可以實時讀出電機的力矩大小百分比。DP通信編程圖如圖4所示。分別調用不同的數據塊，整數轉實數、實數轉整數，對采樣電流和輸出頻率信號進行數據處理并轉換成實數，對上位機給定的頻率進行實數轉整數處理并給定到變頻器。

圖2 DP通信硬件組態圖

圖3 GSD文件設置圖

圖4 DP通信編程圖

TCP通信不需要進行變頻器硬件組態，只需要進行通信數據的設置和編程及變頻器的設置等工作。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變頻器設置步驟如下：通信（COM）-＞Modbus現場總線（Md1）-＞Modbus地址（Add），設置為“1”，所有變頻器都設置為 1；通信（COM）-＞嵌入式以太網配置（EtE）-＞IP模式內嵌以太網（IP ModeEther．Embd），設置為“固定”；通信（COM）-＞嵌入式以太網配置（EtE）-＞IP地址，分別設置為192．168．1．11 和 192．168．1．12；通信（COM）-＞嵌入式以太網配置（EtE）-＞子網掩碼，設置為 255．255．255．0，所有變頻器都設置為255．255．255．0。

4．2 上位機界面操作

在WINCC上可以操作設備，可以進行啟動、停止、頻率給定等操作，也可以查看泵狀態，例如運行、過載、故障、綜合故障、運行頻率、電流信號等，還可以進行其他一些重要參數的安全控制等，例如緊急停止、釋放現場操作權限等。

4．3 程序下載和界面激活[6]

在程序編譯和下載后，可在上位機上給定頻率、啟動設備、監控程序并查看設備的運行情況等，可以讀取變頻器的運行頻率和電流以及變頻器的運行狀態等，可通知設備或恢復待機狀態。在維修狀態下，點擊緊急停止按鈕，可以保證安全操作。點擊現場操作按鈕，按鈕站可以直接操控設備的運轉。

5 結論

本文實現了西門子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行通信，豐富了自動化生產線上自動控制的設計方案，提高了變頻器的擴展控制能力，簡化了變頻器控制的傳統接線方式，也大大提高了數據的提取和控制能力。實踐應用表明，系統運行穩定可靠，可為大型工業控制設計提供技術參考。