基于Profinet通信協議的多電機運行監控系統設計

摘 要：隨著工業互聯網逐步滲透到工業制造各大領域，工業企業迫切需要通過工業互聯網加快數字化步伐，以提高生產效率，節省設備運維成本，滿足客戶個性化需求。研究在工業互聯網中通過Profinet通信協議將西門子S7-1200、HMI和G120變頻器等設備聯網組成異步電動機變頻調速監控網絡。研究內容包括控制系統硬件構成、變頻器參數設置和PLC控制程序設計。該控制系統運行能完全融入工業互聯網，且監控方便、成本低廉。

關鍵詞：工業互聯網；Profinet；S7-1200PLC；G120變頻器；HMI

中圖分類號：TP277.2" 文獻標志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0239-03

Design of Multiple Motor Operation Monitoring System Based on Profinet Communication Protocol

Abstract：With the gradual penetration of the industrial Internet into all major fields of industrial manufacturing， industrial enterprises urgently need to speed up the pace of digitization through the industrial Internet in order to improve production efficiency， save equipment operation and maintenance costs， and meet the individual needs of customers. Studies the composition of a monitoring network for variable frequency speed regulation of asynchronous motors connected by Siemens S7-1200， HMI and G120 frequency converters by means of by Profinet communication protocol. The study includes the hardware structure of control system， the parameter setting of frequency converter and the design of PLC control program. The control system can be fully integrated into the industrial Internet， with the advantages of convenient monitoring and low cost.

Keywords：industrial internet；Profinet；S7-1200PLC；G120 frequency converter；HMI

0 引言

工業互聯網（industrial internet）是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業形態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑，是第四次工業革命的重要基石［1］。

Profinet是一個開放式的工業以太網通信協議，主要由西門子公司和Profibus ＆ Profinet國際組織提出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以通信。許多現場工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Profinet協議作為通信標準。本文研究通過此協議，利用S7-1200 PLC和G120變頻器之間的Profinet通信，實現多臺異步電動機的運行監控。

1 多電機監控網絡的硬件構成

多電機監控網絡的硬件主要包括：西門子S7-1200系列PLC、不同功率的G120變頻器、西門子HMI精簡面板、網絡交換機、不同功率的三相交流異步電動機等。監控網絡硬件接線示意圖如圖1所示。

2 G120系列變頻器參數設置

G120系列變頻器可滿足各種功率的三相交流異步電動機的控制需求。不論選擇何種控制方式，在進行具體的G120系列變頻器參數設置之前，可先確認所選電動機的功率大小，然后對照G120變頻器操作手冊，選用與各個電動機功率配套的G120變頻器型號，并將電機銘牌上相關電機參數對應輸入G120變頻器即完成基本調試。最后根據控制方式選擇宏指令，并進行參數設置和修改。這里選擇Profinet通信協議的控制方式，其參數設置如表1所示［2］。需要注意的是，同一個監控網絡中，每個G120變頻器的IP地址不能相同（出廠默認是相同的），但都必須和PLC以及HMI都在同一網段，可通過西門子博途軟件平臺實現各個G120變頻器的IP地址修改。

3 PLC控制程序設計

3.1 控制系統在博途軟件平臺的硬件組態

通過西門子博途軟件TIA Portal V16［3］完成監控系統中的S7-1200 PLC和G120C變頻器的硬件組態，如圖2所示。確保組態的硬件訂貨號、固件版本均與實際硬件完全一致，并為組態的硬件設備分配各自的設備名稱和IP地址，所組態的每臺硬件IP地址為同一網段中的不同地址，同時配置每臺G120C變頻器的標準報文。組態完成后，將所有硬件組態及配置下載至實際的S7-1200 PLC的CPU單元。

在完成上述S7-1200的硬件組態的下載后，因為實際硬件G120C變頻器的Profinet設備名稱和IP地址還未分配，故實際的S7-1200 PLC和G120C硬件還不能進行通信。必須使實際硬件G120C變頻器和上述組態中的G120C所分配的Profinet設備名稱和IP地址一致，才能確保S7-1200 PLC和G120C實際硬件之間Profinet通信成功。

3.2 通過標準報文控制電機的啟停、換向和速度

S7-1200 PLC通過向G120C發送控制字等信息實現電機的啟停、換向以及調速控制，并可從G120C讀取狀態信息［4］。現以其中一臺變頻器的控制為例，編寫其PLC監控程序如圖3所示。S7-1200 PLC通過Profinet PZD通信方式將控制字1（STW1）和主設定值（NSOLL_A）周期性地發送至變頻器，變頻器將狀態字1（ZSW1）和實際轉速（NIST_A）發送到S7-1200，數據流向如表2所示。其他G120C變頻器的PLC控制程序與上述程序類似，在此不再贅述。

4 HMI組態畫面設計

控制系統選用與S7-1200 PLC配套的SIMATIC HMI精簡面板［5］，SIMATIC HMI精簡系列面板滿足了用戶對高品質可視化和便捷操作的需求。用戶可在HMI集中實現多臺電機的遠程控制，并準確獲取各個電機的運行狀態等信息。各電機的監控組態信息如圖4所示。

5 結語

基于Profinet通信協議，PLC、HMI和多臺變頻器之間實現數據信息共享，多臺異步電動機的變頻調速監控穩定、可靠、方便、直觀、交互性強，且易于融入工業互聯網，克服了傳統控制方式的不足。PLC和變頻器之間進行通信，使得PLC可將控制信息發送給變頻器，并從變頻器接收電機運行的各種狀態信息。這些控制信息和狀態信息都在HMI上實時動態地顯示出來。經現場調試證實，通過Profinet實現的多臺電動機監控網絡控制系統效率更高、成本更低、功能更強，既滿足傳統交流異步電動機控制的一切要求，又順應工業數字化發展潮流，是制造業轉型升級的必然趨勢。

參考文獻：

［1］ 程曉，文丹楓. 工業互聯網：技術、實踐與行業解決方案［M］. 北京：電子工業出版社，2020.

［2］ SIEMENS 變頻器SINAMICS G120C操作說明［Z］. ［S.I.］： 西門子公司，2016.

［3］ SIEMENS SIMATIC S7-1200可編程控制器系統手冊［Z］. ［S.I.］： 西門子公司，2022.

［4］ 向曉漢. 西門子SINAMICS G120 S120變頻器技術與應用［M］. 北京：機械工業出版社，2020.

［5］ SIEMENS SIMATIC HMI 操作設備 第二代精簡系列面板操作說明［Z］. ［S.I.］： 西門子公司，2016.