淺析西門子變頻器報文應(yīng)用

沈盛陽，徐 凱，郭 星

(江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225000)

在當(dāng)前的沖壓行業(yè)中，西門子S120變頻器因其帶有矢量控制和伺服控制功能的模塊化傳動系統(tǒng)，可用于實現(xiàn)復(fù)雜傳動應(yīng)用的單機和多機變頻調(diào)速裝置，并能執(zhí)行智能閉環(huán)驅(qū)動，精確控制同步和異步電機而廣受用戶的青睞。目前針對于S120變頻器主流的控制方式有兩種，一種為通過可編程控制器PLC結(jié)合S120特有的TM31模擬量模塊來控制變頻器輸出頻率的變化，通過內(nèi)部程序的運算來達到電機調(diào)速的目的；另外一種就是利用S120變頻器強大的內(nèi)部通訊報文與PLC通信，從而控制變頻器的動作并讀取相關(guān)實時數(shù)據(jù)，如電機當(dāng)前的有功功率、電流、轉(zhuǎn)速等，以達到監(jiān)視變頻器當(dāng)前的運行狀態(tài)，便于用戶掌握設(shè)備的運行情況，保證生產(chǎn)的安全性和高效性。前者的控制方式無法讀取變頻器的各項參數(shù)且需額外購買TM31模塊，既單一又增加了硬件成本，相比之下后者更適合當(dāng)前沖壓行業(yè)智能化控制的需求。

1 西門子S120變頻器報文介紹

報文是指網(wǎng)絡(luò)中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，代表上位PLC和變頻器之間通過通訊進行周期性數(shù)據(jù)交換。報文包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，其長短不一致，長度不限且可變。而對于西門子S120變頻器，報文可分為預(yù)設(shè)報文和自由報文，預(yù)設(shè)的報文又可分為兩大類：標(biāo)準(zhǔn)通訊報文和西門子自定義的制造商專用報文，標(biāo)準(zhǔn)通訊報文是基于PROFIdrive行規(guī)定義的，PROFIdrive行規(guī)是PROFIBUS和PROFINET網(wǎng)絡(luò)上對驅(qū)動技術(shù)約定的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在自動化領(lǐng)域。制造商專用報文為西門子設(shè)計的專有報文，這些報文是根據(jù)公司內(nèi)部產(chǎn)品定義創(chuàng)建，用戶可以通過選擇這些制造商報文讓S120內(nèi)部的參數(shù)互聯(lián)，根據(jù)設(shè)置的報文編號自動進行處理。除了以上的兩種預(yù)設(shè)類型的報文，用戶還可以設(shè)置自由報文，即報文的功能和含義由用戶自行決定其功能，通?？梢韵冗x擇一種預(yù)設(shè)的報文，隨后修改S120變頻器參數(shù)p922=999（自定義報文），預(yù)設(shè)報文的含義關(guān)聯(lián)維持不變，這樣會方便用戶進行后續(xù)的修改。西門子S120變頻器本身具有豐富的通訊功能，從PROFIBUS到PROFINET，從Web頁面到OPC通訊，不僅種類豐富并且可以滿足各種通訊的需求，但這些通訊都離不開基于報文的支持，可以說報文在通訊里有著舉足輕重的地位。

本文中所應(yīng)用的352-PZD6/6報文為西門子自定義的制造商專用報文，配合西門子S120變頻器驅(qū)動高滑差電機廣泛使用在沖壓行業(yè)中，它具有6個通訊字（也叫6個PZD字）的數(shù)據(jù)交換能力，包括6個輸入字和6個輸出字，具體每個字代表的數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 報文352-PZD6/6具體數(shù)據(jù)信息

2 應(yīng)用實例

西門子公司推出的TIA Portal全集成自動化系統(tǒng)解決方案采用統(tǒng)一的平臺，可以把可編程控制器、觸摸屏的組態(tài)集中在一個開發(fā)平臺上，給用戶帶來全新的設(shè)計體驗。STARTER軟件具有SINAMICS S120驅(qū)動裝置的現(xiàn)場調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控、修改裝置參數(shù)，故障檢測和復(fù)位，以及跟蹤記錄等強大功能。本文通過TIA Portal V14和STARTER5.1軟件平臺將可編程控制器S7-1500和S120變頻器進行了充分的結(jié)合運用，并在觸摸屏中設(shè)計了實時監(jiān)控畫面，利用352-PZD6/6報文進行通信從而控制S120變頻器驅(qū)動高轉(zhuǎn)差電機并實時讀取其參數(shù)，此實例中S7-1500選用 CPU1513-1PN，S120變頻器選用控制單元CU310-2PN和功率單元PM340，觸摸屏選用TP1200。

2.1 TIA Portal V14組態(tài)配置

在TIA Portal V14軟件中組態(tài)包括以下內(nèi)容，添加各種類型的PLC控制器和HMI，配置各種規(guī)模的站點以及網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，在線配置與離線配置參數(shù)，變量定義以及標(biāo)簽制作。本文中共組態(tài)3個系統(tǒng)模塊，分別由PLC模塊CPU1513-1PN、變頻器控制單元S120-CU310-2PN和觸摸屏TP1200精致面板組成。首先根據(jù)實際應(yīng)用要求手動分配各站點的IP地址，CPU1513-1PN裝配有2個PROFINET端口，用于現(xiàn)場層面的通信。應(yīng)用上需要注意同一系統(tǒng)的設(shè)備必須應(yīng)用同一網(wǎng)段的IP，硬件接口和軟件設(shè)置必須一致，也就是說在分配IP地址時，系統(tǒng)中的設(shè)備IP前3組數(shù)據(jù)要保持一致，最后一組可以理解為設(shè)備序號，不能重復(fù)，這樣IP分配才能成功。本例中CPU1513-1PN的 IP地址設(shè)定為 192.168.0.1，CU310-2PN的IP地址設(shè)定為192.168.0.2，TP1200的 TP地址設(shè)定為192.168.0.3，如圖1所示。

接下來分配設(shè)備名稱，每個站點相應(yīng)分配一個名稱如圖2所示（系統(tǒng)默認即可）。

圖1 IP地址分配

圖2 設(shè)備名稱分配

圖3 系統(tǒng)組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)視圖

設(shè)備的名稱需要在線分配，切換到“網(wǎng)絡(luò)視圖”，點擊網(wǎng)絡(luò)，選擇“分配設(shè)備名稱”，系統(tǒng)將自動搜索網(wǎng)絡(luò)上所有的站點，選擇需要的設(shè)備名稱，再選擇網(wǎng)絡(luò)上的站點，最后點擊“分配名稱”按鈕進行分配，至此通信建立完畢。圖3為已連接好的網(wǎng)絡(luò)視圖。

2.2 STARTER5.1設(shè)置

在設(shè)置STARTER5.1之前，應(yīng)特別注意優(yōu)先完成以下的工作：①電源電纜按規(guī)定的扭矩正確地連接到了變頻器功率單元組件端子上；②在調(diào)試前一定要先了解自己所買的儲存卡的固件號，如存儲卡固件為V4.8，那么請?zhí)崆鞍惭bSTARTER軟件對應(yīng)的4.8版本SSP包，并將存儲卡正確插入CU310-2PN控制單元中；③配置的驅(qū)動系統(tǒng)中的所有必要組件都存在，并已安裝和連接。完成以上工作后打開STARTER軟件，具體設(shè)置步驟如下：

（1）在線創(chuàng)建項目，調(diào)用菜單“Project＞New with wizard”，點擊“Find drive units online”，輸入工程的名稱和保存路徑。

（2）自動搜索節(jié)點，點擊狀態(tài)欄“Accessible Nodes”在線搜索節(jié)點，選中所搜索到的節(jié)點右鍵“Edit Ethernet Node...”，設(shè)置 IP節(jié)點：192.168.0.2 子網(wǎng)：255.255.255.0，再點擊：Assign IP Configuration（分配 IP）。然后點擊：Assign name（分配設(shè)備名稱）默認名稱即可。特別注意：IP地址和設(shè)備名稱一定要與TIA Portal組態(tài)中一致，否則無法建立通信。

（3）重新搜索節(jié)點，選中搜索到的項目點擊“Aceept”，然后選中項目導(dǎo)航器中Drive unit_1，調(diào)用菜單“Project＞Connect to selected target device”，點擊自動組態(tài)“Automatic configuration”，請選擇Vector（矢量電機）配置相關(guān)參數(shù)，然后轉(zhuǎn)成離線狀態(tài)。

（4）配置參數(shù)，根據(jù)向?qū)гO(shè)置好需要的參數(shù)，具體設(shè)置見表2。

表2 STARTER軟件具體設(shè)置參數(shù)

2.3 PLC程序編程

首先在TIA Portal建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)塊DB35和DB36，該類型數(shù)據(jù)塊里的變量為絕對地址訪問并支持指針尋址。DB35數(shù)據(jù)塊用于存儲電機給定轉(zhuǎn)速值，DB36數(shù)據(jù)塊用于存儲變頻器的過程數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4 DB36數(shù)據(jù)塊

圖5 FC14功能塊

將程序編寫在功能塊FC內(nèi)，可使程序簡單明了，便于后續(xù)調(diào)用。建立CU310通訊功能塊FC14，然后在OB1主程序中進行調(diào)用，如圖5所示。該功能塊左側(cè)為輸入值，右側(cè)為輸出值，各個管腳設(shè)置如下：左側(cè)管腳“address”用于讀取CU310-2PN的過程數(shù)據(jù)，本例中采用系統(tǒng)變量“西門子_352_PZD-6_6”報文；“ON_OFF1”用于控制電機的啟停；“acknowledge”用于系統(tǒng)故障的復(fù)位；“direction_reversal”用于控制電機的正反轉(zhuǎn)；“speed_setpoint”用于轉(zhuǎn)速的給定，本例中采用DB35數(shù)據(jù)塊中DB35.DBDO；“speed_P2000”、“current_P2002”和“torque_P2003”則分別采用STARTER軟件中對應(yīng)的P2000、P2002和P2003數(shù)值。右側(cè)管腳“operation_enabled”用于輸出變頻器的狀態(tài)位，“fault_active”用于輸出變頻器的故障位，“actual_speed”用于反饋電機的實際轉(zhuǎn)速，“actual_current”用于反饋電機的實際電流，“actual_torque”用于反饋電機的實際轉(zhuǎn)矩，“actual_alarm”用于反饋變頻器當(dāng)前的報警代碼，“actual_fault”用于反饋變頻器當(dāng)前的故障代碼，右側(cè)的輸出值一一對應(yīng)于DB36數(shù)據(jù)塊中的變量地址。

2.4 觸摸屏畫面設(shè)計

作為西門子變頻器報文應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，監(jiān)控畫面起著非常重要的作用，它實現(xiàn)了西門子變頻器智能化控制的實時監(jiān)控。本設(shè)計基于TIA Portal平臺進行上位機監(jiān)控軟件開發(fā)，根據(jù)監(jiān)控要求，監(jiān)控畫面對電機的實際轉(zhuǎn)速、實際電流、實際轉(zhuǎn)速、變頻器報警和故障代碼進行了實時采集，用戶能夠通過監(jiān)控畫面了解變頻器的運行狀態(tài)，并能根據(jù)實際需求修改電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的監(jiān)控畫面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3 結(jié)論

本文針對面前客戶的需求，給出了一種變頻器的控制方案，并編寫相關(guān)控制程序，然后在相關(guān)設(shè)備上測試和應(yīng)用，目前該設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，不但實現(xiàn)了變頻器的基本控制，而且實時監(jiān)控變頻器的當(dāng)前運行狀態(tài)，使得操作者可以更直觀的掌握設(shè)備的運行，為設(shè)備的保養(yǎng)及維修提供了數(shù)據(jù)支持。