基于Profibus网络的西门子PLC与双台S120变频器通讯的实现研究

张 康，储昭碧，宁君宇，冯小英

ZHANG Kang, CHU Zhao-bi, NING Jun-yu, FENG Xiao-ying

（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥 230009）

0 引言

随着科学技术的迅速发展，工业领域的生产对高科技智能化的控制设备的需求日益紧迫，对现场传动设备的连续性、高速性、平稳性要求非常高，因此西门子PLC和变频器应运的被广泛的应用到工业控制中。同时由于系统的规模、运载量及稳定性的要求，一台变频器的单独运行已经不能达到要求，所以多台变频器组成的系统已经成为现在控制系统主流，系统的各个设备之间的连接也变得复杂[1]。由于S120变频器内部有网络通讯功能模块，则PLC可以通过这些模块与变频器实现网络通讯[2]，从而可以控制变频器的运行，并且监视其工作情况。

西门子S120变频器有V/f控制、矢量控制和伺服控制3种控制模式，以及扭矩控制、速度控制、位置控制3种控制方式，能够满足工程中的一切要求。并且，可实现几乎所有控制要求苛刻的驱动应用，是易于快速方便地实现精确控制定制的驱动装置。同时，其功率范围宽，组态简单方便，具有灵活简单的连接安装技术。而西门子S7-300系列PLC具有模块分开、体积小、质量轻、结构配置灵活、装配方便、易于扩展等优点。所以某矿山石灰石皮带机输送系统选择S120变频器为驱动装置，西门子PLC为控制装置[3,4]。本文以某矿山石灰石皮带机输送系统为基础，探讨西门子PLC与双台S120变频器基于Profibus网络通讯的实现，并给出硬件组态和程序的编写。

1 系统网络组成

此系统为了保持足够的动力及运行的平稳性采用头尾单驱，其头尾部都采用200kW的S120变频器驱动电机启动停止。同时，头尾都采用西门子S7-300系列PLC控制变频器，其中尾部为主站，头部为从站。尾部的PLC与变频器，头部的PLC与变频器之间都采用通信电缆相连。头部的PLC采用光纤与尾部的PLC进行通讯。此控制系统基于Pro fi bus-DP的网络通讯连接图如图1所示。

为了保证控制系统工作的连续性及安全性，头尾PLC之间的连接除光纤通讯以外，还可以通过数字信号的输入、输出（DI/DO）来传导通讯故障、开机、停机等信号。所以如果PLC之间光纤通讯出问题了，整个控制系统可以正常的开启工作，不影响系统的运转。

图1 系统网络连接图

2 S120与PLC的通讯

图2 S120报文配置

图3 S7-300硬件组态报文配置

本系统中PLC采用S7-300系列（CPU315-2DP）和SINAMICS S120变频器之间通过总线Profibus-DP通讯进行周期性数据交换，控制变频器的启停及控制电机的运行速度，并监控着变频器和电机的工作状态。为了两者能够正常进行通讯，在STEP7硬件组态中设置站地址，要与S120变频器通过CU320硬件上的拨码开关设置的从站地址一样。此系统中，DP总线接头两端只能为“进”，且开关打到ON上，接通200欧电阻，中间的接头必须打到OFF，且为一进一出。同时，设置通讯缓冲区，运用SFC14/SFC15传送DB数据时，必须在硬件组态里建立同样大小的缓冲区，但最大只能为32字节；最好DB块内部填充满，以防出错。

在对S120进行组态时，把S_INF_02、VECTOR_03添加进来，在Starter中选用适当的报文结构，来发送控制字与读取状态字。其中电源模块选用SIEMENS telegram 370，PZD1/1；电机模块选用SIEMENS telegram 352，PZD6/6。如图2所示。PZD6/6表示DP通讯的字数为6，即6个通讯字。6个输入字：PLC发送给变频器的数据为6个字，其中包括：控制字、转速设定值、其他未用字等数据信息；6个输出字：变频器传递给PLC数据为6个字，其中包括：状态字、实际转速值、电机转矩、电机电流等数据信息。

3 通讯编程实现

编写程序的主要目的是配置数据输入输出通道缓冲区，构建主站CPU与设备之间的连接通道，按照控制策略来编写程序。编程时可采用Move指令和系统功能模块SFC14/15两种方法来完成数据操作。由于Move指令最多能传输4个字节数据，当PLC与变频器通讯时，两者之间传输数据大于双字，为了保证能够存取相连续的数据模块，故不采用Move指令，而采用调用系统的功能模块SFC14“DPRD-DAT”来读取Profibus从站数据、采用功能模块SFC15“DPWR-DAT”将数据写入Profibus从站。如果一个DP从站有若干个相连续的数据模块，则对每个数据模块必须分别安排一个SFC14/15调用[8]。

下面编写S120变频器与PLC通讯程序。为了方便功能模块SFC14/15读写数据，也为了图1中触摸屏。

为了S7-300能够与S120进行正常通讯，则在STEP7中设置的报文要保证与Starter中配置的报文长度顺序等完全一致。如图3所示。此时，PLC可向S120发送控制字，控制电机的工作；同时从S120读取状态字，监视电机的工作情况[5～7]。

读取数据的方便性，首先建立数据模块DB6作为发送数据接收数据的存储区[9]。

PLC向尾部变频器写电源模块数据，调用功能模块SFC15，其中LADDER表示对方数据起始地址，即对方要接收的数据存放的起始地址；RECORD表示本地要发送数据存放的地址；RET_VAL表示返回值为错误代码。如图4所示，将DB6模块中从DB6.DBX0.0开始的1个控制字发送给变频器，接收数据存放的起始地址为W#16#110，如图3中组态首地址为十进制272。若返回值RET_VAL为零，则表示通讯正常；否则，表示通讯故障，其地址为MW44。

PLC向尾部变频器写电机模块数据如图5所示，其原理与PLC向尾部变频器写电源模块数据一样。其接收数据存放的起始地址为W#16#112，如图3中组态首地址为十进制274，若RET_VAL为非零，通讯故障地址为MW48。

PLC从尾部变频器读电源模块数据，调用功能模块SFC14，其中LADDER表示对方数据起始地址，即本地要接收的数据存放在对方的起始地址；RECORD表示接收数据存放的地址；RET_VAL表示返回错误代码。如图6所示，将起始地址为W#16#110（如图3中组态首地址为十进制272）开始的1个状态字读出，并将数据存放在DB6模块中起始地址为DB6.DBX14.0，通讯故障地址为MW46。

PLC向尾部变频器写电机模块数据如图7所示，其原理与PLC从尾部变频器读电源模块数据一样。其接收数据存放的起始地址为DB6.DBX16.0，MW50表示通讯故障的地址。

图4 PLC向尾部变频器写电源模块数据

图5 PLC向尾部变频器写电机模块数据

图6 PLC从尾部变频器读电源模块数据

图7 PLC从尾部变频器读电机模块数据

通讯故障处理：其通讯故障处理流程图如图8所示。只要4个通讯故障地址中有一个的返回值非零，就会触发通讯故障程序如图9所示，此时将进行通讯故障处理如图10、图11所示，电机转速设定值立即被赋予0，电源关闭，电机停止工作，同时状态字清零，DB模块清零。

图8 PLC变频器通讯故障处理流程图

图9 PLC与变频器通讯故障

图10 PLC与变频器通讯故障处理

图11 PLC与变频器通讯故障处理

4 结束语

在分析了PLC与变频器的Profibus总线网络通讯及其实现后，给出了通讯程序，实现了通过Profibus网络总线控制变频器的正常启动、正常运行、正常停止及速度给定等功能。经过一年的实际运行，通讯技术依然良好，期间无任何故障，为生产创造了很好的经济效益。对于整个控制系统，提高了系统的稳定性、操作的简单性、维护的方便性，加上其传送速度快，抗干扰能力强等特点，将来会广泛应用于工业控制领域。

[1]刘征,姜玉春,许文菊.SINAMICS S120变频器在转炉传动上的应用[J].机械工程与自动化,2012,(4)：188-189.

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[3]石灵丹,槐博超,华斌,康乐.基于Profibus-DP的西门子PLC与伟肯变频器通讯的实现[J].船电技术,2010,30(10)：58-63.

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[5]张素文,贺凯歌.基于Profibus-DP的PLC与交流变频器通讯的实现[J].工业控制计算机,2008,21(5)：58-59.

[6]周鹏,王英.基于西门子Sinamics S120的电机负载特性测试系统设计[J].变频器世界,2011,(3)：104-106.

[7]葛锁良,何明,岳胜.基于工业以太网+现场总线的通讯网络设计[J].Industrial Control Computer,2008,21(12)：61-62.

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