摘要：通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現西門(mén)子S7-300系列PLC系統與現場(chǎng)智能設備之間的通信。該PLC控制系統總線(xiàn)連接設備有ABB ACS800變頻器，施耐德ATV71變頻器，智能MMC保護裝置。通過(guò)數據采集處理完成對電氣設備的實(shí)時(shí)數據監控和控制。

    關(guān)鍵字：Profibus,變頻器，通信，驅動(dòng)。

    Abstract:The article introduced that Siemens S7-300 series PLC system communicated with the field intelligence devices by using the profibus-dp bussing technique.This PLC control system bus interfacing equipment had the ABB ACS800 inverter, Shinaide ATV71 inverter,the intelligent MMC protective device.Through data collection of electrical equipment for processing completion of real-time data monitoring and control.

    Key words:Profibus,Inverter,Communications，Drive。

    1 引言

    Profibus是目前國際上通用的現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一，以其獨特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴格的認證規范、開(kāi)放的標準、眾多廠(chǎng)商的支持和不斷發(fā)展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。Profibus是目前自動(dòng)化控制系統中最成功的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，得到了廣泛的應用。它是開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)，各種各樣的自動(dòng)化設備均可通過(guò)同樣的接口協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )信息傳輸交換。Profibus-DP有較高的數據傳輸率，適用于控制系統和外部智能設備及遠程I/O設備之間的通信。Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)系統可網(wǎng)絡(luò )連接許多現場(chǎng)設備(如PLC、智能變送器、變頻器)在同一總線(xiàn)進(jìn)行雙向多信息數字通信，因此可方便地使用不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的控制測量系統相互連接成通信網(wǎng)絡(luò )。

    中鋁山東分公司特種氧化鋁種子制備微粉控制系統采用西門(mén)子S7-300系列PLC系統利用Profibus-DP總線(xiàn)技術(shù)完成與其他三方設備之間的通信，實(shí)現對設備的控制及監控。通過(guò)ABB公司的RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器模塊實(shí)現與ABB的ACS800變頻器通信，通過(guò)施耐德公司的VW3A3307型Profibus-DP通信卡實(shí)現與施耐德ATV71變頻器通信，通過(guò)Profibus-DP實(shí)現與尤耐特公司的UNT-MMI智能MCC控制保護管理裝置通信。通過(guò)Profibus總線(xiàn)組態(tài)及對變頻器和智能MMC綜合保護器的主要通信參數進(jìn)行設置，實(shí)現了PLC系統和現場(chǎng)智能設備的通信。

    2 系統配置

    2.1 系統網(wǎng)絡(luò )配置通信結構

    西門(mén)子PLC系統硬件組態(tài)軟件版本為Setp7 v5.4，工作站監控軟件版本為WinCC v6.0。該系統以西門(mén)子公司S7-300系列PLC系統和ABB公司ACS800變頻器、施耐德公司ATV71變頻器、尤耐特公司UNT-MMI智能MMC保護裝置利用Profibus-DP通信協(xié)議實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信過(guò)程及控制方法。西門(mén)子PLC控制系統CPU選型為6ES7 315-2AG10-0AB0,通過(guò)IM 153-1擴展部分模擬量和數字量I/O模塊，使用主-從通信原理，對Profibus總線(xiàn)設置波特率及主從站地址。硬件組態(tài)時(shí)對Profibus總線(xiàn)上所有驅動(dòng)設備作為從站并對從站地址統一分配，現場(chǎng)驅動(dòng)設備的波特率及工作地址等參數與Profibus總線(xiàn)組態(tài)地址相統一。工作站與PLC系統以太網(wǎng)模塊采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現通信進(jìn)行監控及操作控制。任何從站設備，如果想掛上Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )，都必須提供一個(gè)GSD文件。這個(gè)GSD文件起到一個(gè)識別其身份、分配其功能的作用。ABB變頻器ACS800系列的GSD文件為ABB_0812.GSD,施耐德變頻器ATV71系列的GSD文件為T(mén)ele0956.GSD，尤耐特智能MMC控制保護管理裝置的GSD文件為MMIB.GSD。打開(kāi)西門(mén)子SIMATIC Manager后建立一個(gè)SIMATIC 300 Station工程項目，進(jìn)入Hardware管理器，在Options選項下找到Install GSD Files，瀏覽找到上面三個(gè)GSD文件進(jìn)行安裝。GSD文件安裝完成后都可以在PROFIBUS DP樹(shù)型菜單下找到，顯示路徑分別為：Additional Field Devices\Drives\Tele\ATV71-Profibus-DP, Additional Field Devices\Drives\ABB Drives RPBA-01, Additional Field Devices\I/O\UNT\UNT-MMI-B。PLC系統的CPU配置為DP master作為主站，負責總線(xiàn)管理和從站的通信。變頻器驅動(dòng)和尤耐特UNT-MMI-B驅動(dòng)作為從站直接掛在PROFIBUS總線(xiàn)上，但ABB Drives RPBA-01驅動(dòng)中應選擇PPO Type 4。在本系統中，S7-300 PLC作為主站，變頻器和智能MMC保護器作為從站，主站向變頻器傳送控制字命令，同時(shí)接受變頻器反饋的狀態(tài)字信號。變頻器控制字是現場(chǎng)總線(xiàn)系統控制傳動(dòng)單元的基本方法，它由現場(chǎng)總線(xiàn)主機站發(fā)送給傳動(dòng)單元，適配器模塊充當一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用，傳動(dòng)單元根據控制字的位碼信息作出反應，并且通過(guò)狀態(tài)字將狀態(tài)信息反饋給主機。整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )通信配置圖(受圖形大小影響對該圖部分設備進(jìn)行刪減)如圖1。  

               
                                     圖1 系統網(wǎng)絡(luò )通信配置圖

    2.2 現場(chǎng)總線(xiàn)設備通信參數設置

    尤耐特智能MMC控制保護裝置在通信選項里選擇設置為Profibus,參數設置比較簡(jiǎn)單，具體通信參數可進(jìn)入參數設置中對通信參數口的總線(xiàn)通信地址及波特率進(jìn)行詳細設置。其它運行參數、保護參數、可編程輸入輸出參數等可根據需要進(jìn)行參數定義。

    要實(shí)現施耐德ATV71變頻器與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )的物理連接，Profibus-DP通信卡VW3A3307是必不可少的。對于該通信卡，僅需要設置Profibus-DP的從站地址，這8個(gè)Profibus-DP尋址開(kāi)關(guān)的最低位在右邊，最高位在左邊。撥碼撥到下面為ON，撥到上面為OFF。改動(dòng)地址后，要重新上電才能使用。如果用戶(hù)要通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對變頻器的啟動(dòng)、停止和速度給定的控制，則需要對命令通道的相關(guān)參數進(jìn)行設置。在變頻器的1.6命令菜單里，當變頻器插上通信卡后，給定通道的選項里會(huì )新增一項選項：通信卡，如果用戶(hù)需要通過(guò)Profibus-DP通訊給定速度，則將給定通道選擇為“通信卡”。當變頻器插上通信卡后，命令通道設置的選項里會(huì )增加一項“通信卡”。如果用戶(hù)需要通過(guò)Profibus-DP通信控制變頻器的起停，則需要將命令通道設置定義為“通信卡”。在變頻器的“1.9通信”菜單里，前兩個(gè)子菜單分別是COM.SCANNER INPUT和COM.SCANNER OUTPUT。通過(guò)對這兩個(gè)子菜單的設置，我們可以實(shí)現變頻器和PLC之間的數據交換。要注意：這里INPUT和OUTPUT是從PLC的角度去看的。對于變頻器，INPUT是它要發(fā)送給PLC的數據，OUTPUT是它接收的來(lái)自PLC的數據。COM.SCANNER INPUT這個(gè)菜單內含8組參數，從Scan.IN1 address到Scan.IN8 address。用來(lái)定義PLC要讀取變頻器的哪些參數的數據（讀）。對前三個(gè)輸入字定義好地址后分別讀取狀態(tài)字、頻率信號、電流信號。COM.SCANNER OUTPUT這個(gè)菜單內含8組參數，從Scan.Out1 address到Scan.Out8 address。用來(lái)定義PLC要修改變頻器的哪些參數的數據（寫(xiě)）。對前兩個(gè)輸出字定義好地址就可以寫(xiě)入命令控制字和頻率給定信號。

    ACS800變頻器現場(chǎng)總線(xiàn)適配器模塊通信參數主要參數98.02用于現場(chǎng)總線(xiàn)的設置值定義為FIELDBUS，參數98.07用于現場(chǎng)總線(xiàn)的設置值定義為ABB DRIVES。適配器模塊能自動(dòng)檢測所使用的通信速率和PPO類(lèi)型，在參數組51中可以修改站節點(diǎn)地址、波特率、PZD3等參數設置，新設定值只有當傳動(dòng)單元下次啟動(dòng)之后才生效。傳動(dòng)控制參數中控制命令源選擇參數10.02和11.06現場(chǎng)總線(xiàn)控制的設定值定義為COMM.MODULE，參數11.02定義為DI3(數字輸入，0=EXT1，1=EXT2)，該參數定義信號源，EXT1為當前控制地時(shí)，控制信號源由參數10.01和11.03定義為現場(chǎng)手動(dòng)控制,EXT2為控制地時(shí)，控制信號源由參數10.02和11.06定義為PLC自動(dòng)控制。系統控制輸入參數16.01和16.04定義為COMM.MODULE。ACS800變頻器標準應用程序支持四個(gè)數據集，每一方向上有兩個(gè)，即兩個(gè)用于發(fā)送，兩個(gè)用于接收，兩個(gè)數據集作為主給定數據集和輔助給定數據集用于控制傳動(dòng)單元，傳動(dòng)單元分別從參數90.04和參數90.05中讀取這兩個(gè)主、輔給定數據集，主給定數據集的內容是固定的，而輔助給定數據源的內容可以通過(guò)參數90.01，90.02，90.03進(jìn)行選擇。

    3 過(guò)程數據采集及控制原理

    尤耐特智能MMC控制保護裝置根據硬件組態(tài)每個(gè)總線(xiàn)地址可以作為一個(gè)I/O模塊來(lái)進(jìn)行過(guò)程數據采集。模擬量輸入信號(數據類(lèi)型定義為INT)可以根據實(shí)際量程進(jìn)行轉換后來(lái)進(jìn)行監控顯示，過(guò)程數據模擬量輸入電流信號需要先進(jìn)行單整轉雙整(塊指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點(diǎn)數(塊指令為DI_R)，然后用浮點(diǎn)數除比例數ctA(塊指令為DIV_R, MMC保護裝置選ct1時(shí)ctA=1000；ct2時(shí)ctA=100；ct3時(shí)ctA=10；ct4時(shí)ctA=10；ct5時(shí)ctA=10；ct6時(shí)ctA=1；ct7時(shí)ctA=1)將轉換數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的實(shí)時(shí)數據就是電機的實(shí)際電流信號數據。過(guò)程數據開(kāi)關(guān)量輸入信號和輸出信號可以直接根據以組態(tài)數據地址按位地址進(jìn)行過(guò)程數據讀取和寫(xiě)入，方便進(jìn)行邏輯控制處理和實(shí)時(shí)監控。建立一個(gè)子程序，根據電機過(guò)程數據信號建立相應的內部變量，這樣所有的具有相同信號類(lèi)型的電機控制都可以調用同一個(gè)子程序來(lái)進(jìn)行控制，調用子程序的時(shí)候只需要根據內部變量連接相應的外部設備變量就可以對每臺電機實(shí)現控制管理。電機控制原理子程序如圖2所示。
  
           
                            圖2 電機控制原理子程序圖

    PLC主站組態(tài)添加變頻器GSD文件驅動(dòng)后在硬件組態(tài)里每個(gè)通道都是只有16位數據，占一個(gè)字的存儲空間，數據類(lèi)型基本定義為WORD型，模擬量輸入信號中電流反饋和頻率反饋數據類(lèi)型可定義INT方便進(jìn)行數據轉換處理。通過(guò)ACS800變頻器通信卡傳輸采集的過(guò)程數據狀態(tài)字(SW)進(jìn)行數據轉換處理后才能得到實(shí)際數字開(kāi)入量信號，利用16進(jìn)制數與功能塊(WAND_W)來(lái)進(jìn)行數據轉換處理，采集的狀態(tài)字(SW)與上W#16#0800后和整型數0進(jìn)行比較得到的數據信號為遙控信號，采集的狀態(tài)字(SW)與上W#16#0004后和整型數0進(jìn)行比較取反得到的數據信號為運行信號，采集的狀態(tài)字(SW)與W#16#0008后和整型數0進(jìn)行比較取反得到的數據信號為故障信號。模擬量輸入信號電流(一般變頻器通信參數定義為PZD3區)和頻率(一般變頻器默認通信參數定義為ACT區)信號需要先進(jìn)行單整轉雙整(快指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點(diǎn)數(塊指令為DI_R)，然后用浮點(diǎn)數除比例數(塊指令為DIV_R,一般ACS800變頻器頻率反饋信號比例數為100.0，電流反饋信號比例數為10.0)將數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的數據就是變頻器顯示的實(shí)際數據了，工作站就可以直接讀取DB塊中地址進(jìn)行數據通信。頻率給定信號數據處理先是設定值乘比例數(塊指令為MUL_R,此處比例數為400.0)，然后對該浮點(diǎn)數進(jìn)行取余運算(塊指令為ROUND)直接寫(xiě)入到過(guò)程數據通信參數控制字區REF中。變頻器啟動(dòng)/停止控制只需要根據開(kāi)關(guān)量聯(lián)鎖條件傳送(塊指令MOVE)W#16#047F和W#16#047E到控制字區CW中就可以實(shí)現變頻器啟/?？刂?。

    施耐德變頻器和ABB變頻器在Profibus總線(xiàn)通信里的狀態(tài)子和控制字都不一樣，也需要進(jìn)行數據處理。通過(guò)施耐德變頻器通信卡傳輸采集的過(guò)程數據狀態(tài)字(SW默認定義為第一個(gè)輸入字)進(jìn)行數據轉換處理后才能得到實(shí)際信號，和ABB變頻器一樣都要利用16進(jìn)制數與功能塊(WAND_W)來(lái)進(jìn)行數據轉換處理，由于過(guò)程數據里的狀態(tài)字有自己的二進(jìn)制編碼，所以參與過(guò)程數據運算的16進(jìn)制數就要相應改動(dòng)，過(guò)程數據采集的狀態(tài)字(SW)與W#16#0200運算后和整型數512進(jìn)行比較的到數據信號為遙控信號，采集的狀態(tài)字(SW)與W#16#0037運算后和整型數55進(jìn)行比較得到的數據信號為運行信號，采集的狀態(tài)字(SW)與W#16#0008運算后和整型數8進(jìn)行比較得到的數據信號為故障信號。模擬量輸入信號電流(一般定義為第三個(gè)輸入字)和頻率(一般定義為第二個(gè)輸入字)信號需要先進(jìn)行單整轉雙整(快指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點(diǎn)數(塊指令為DI_R)，然后用浮點(diǎn)數除比例數(塊指令為DIV_R,一般ATV71變頻器頻率反饋信號比例數為30.0，電流反饋信號比例數為10.0)將數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的數據就是變頻器顯示的實(shí)際數據了。頻率給定信號數據處理先是設定值乘比例數(塊指令為MUL_R,此處比例數為30.0)，然后對該浮點(diǎn)數進(jìn)行取余運算(塊指令為ROUND)直接寫(xiě)入到控制字區(第二個(gè)輸出字)中。變頻器啟動(dòng)/停止控制只需要根據開(kāi)關(guān)量聯(lián)鎖條件傳送(塊指令MOVE)W#16#000F和W#16#0006到控制字區（第一個(gè)輸出字）中就可以實(shí)現變頻器啟/?？刂?。

    4 WinCC監控實(shí)現

    4.1 工程設置及變量管理

    打開(kāi)Wincc項目管理器，建立新的工程，在WinCC項目管理器中計算機屬性里的啟動(dòng)欄里一般選擇全局腳本運行系統、報警記錄運行系統、變量記錄運行系統、圖形運行系統，其他可根據需要進(jìn)行選擇。在參數欄中對運行時(shí)語(yǔ)言選擇為中文(中國)，在圖形運行系統欄中組態(tài)啟始畫(huà)面，并在窗口屬性中選擇全屏顯示。在變量管理中添加新的驅動(dòng)程序，選擇SIMATIC S7 Protocol Suite.chn驅動(dòng)程序文件,驅動(dòng)添加后選擇TCP/IP并建立新驅動(dòng)程序的連接，并在系統參數的單元中選擇好邏輯設備名稱(chēng)(即要通信的網(wǎng)卡名稱(chēng))。然后在新的驅動(dòng)程序連接下分別建立變量組，如儀表信號主要分為壓力、流量、溫度、液位等信號，建立新變量并設置通信地址。電氣信號普通電機主要有遙控、運行、故障、啟停、電流信號。變頻器通信信號主要有遙控、運行、故障、啟停、電流、頻率反饋、頻率給定信號。為了能夠實(shí)現窗口精靈，必須規范電氣通信信號變量名稱(chēng)結構統一，如普通電機可用設備號(M11)加”REM”/”RUN”/”ERR”/”PA”/”ON”/”OFF”實(shí)現,例如某電氣設備編號為M11,建立連接變量分別為M11REM(遙控信號),M11RUN(運行信號),M11ERR(故障信號),M11PA(電流信號),M11ON(啟動(dòng)信號),M11OFF(停止信號)。變頻器電機根據信號類(lèi)型也用同樣的方法實(shí)現。

    4.2 控制窗口精靈

    打開(kāi)圖形編輯器，建立工藝流程圖主畫(huà)面(MAIN.PDL)，編輯組態(tài)工藝流程圖內容并連接工藝監控信號。 建立一普通電機MOP控制窗口精靈，實(shí)現對智能MMC保護裝置通信的數據進(jìn)行監控顯示和控制，窗口中所有組態(tài)對象連接變量時(shí)只取設備號（如M11）后不同部分，刪掉變量前綴。同樣建立變頻器電機MUOP控制窗口精靈，對窗口中組態(tài)對象變量連接也只取設備號后不同部分，例如組態(tài)兩個(gè)”輸入輸出域”來(lái)顯示電流和頻率，在輸入輸出域中變量連接輸入”PA”和”PF”就可以，變量前綴通過(guò)動(dòng)作腳本代碼實(shí)現。在工藝流程圖主窗口中添加一個(gè)畫(huà)面窗口，畫(huà)面窗口名稱(chēng)定義為Picwindowm，然后修改畫(huà)面窗口屬性，對”可移動(dòng)”、”調整大小”、”可以關(guān)閉”選項都修改默認值為”是”。在工藝流程主系統圖中對每個(gè)電氣設備添加一個(gè)控件(或者按鈕)，通過(guò)點(diǎn)擊操作可以彈出每個(gè)設備的控制窗口。例如電氣設備(M11)的控件名稱(chēng)為”控件1”，則在”控件1”對象屬性中的事件里鼠標動(dòng)作進(jìn)行編輯，VBS動(dòng)作代碼編輯如下：

    按左鍵VBS腳本：

    Dim pic

    Set pic=HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“Picwindowm”)

    pic.tagprefix=”M11”//設備號//

    釋放左鍵VBS腳本：

    Dim pic,sb

    Set pic=HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“Picwindowm”)

    Set sb= HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“控件1”)//控件號//

    pic.left=sb.left+100

    pic.top=sb.top+100

    pic.ScreenName=”MOP”//控制窗口精靈名稱(chēng)//

    pic.captiontext=”M11”//設備號//

    pic.visible=TRUE

    pic.tagprefix=” ”

    通過(guò)編輯鼠標動(dòng)作代碼可以實(shí)現彈出的控制窗口對象自動(dòng)連接設備號為M11的所有變量，然后進(jìn)行數據狀態(tài)監控和啟/?？刂?，對于更多的其它設備只需要根據要操作的控件對象對VBS代碼里的控件號和設備號進(jìn)行統一修改就可以了，變頻器電機除了對控件號和設備號進(jìn)行修改還要根據組態(tài)對控制窗口精靈名稱(chēng)進(jìn)行修改。通過(guò)規范變量結構統一和對彈出控制窗口進(jìn)行VBS腳本編輯，實(shí)現了多臺電氣設備可以調用同一控制窗口精靈，避免了建立大量的控制窗口和每個(gè)窗口中都要進(jìn)行變量連接的重復煩瑣的勞動(dòng)。

    5 結束語(yǔ)

    特種氧化鋁種子制備微粉控制系統采用Profibus總線(xiàn)技術(shù)和其它現場(chǎng)智能設備進(jìn)行通信，節省了大量的I/O設備及電氣電纜，具有設備成本低，信號傳輸距離遠，抗干擾性性強等特點(diǎn)，經(jīng)驗證是一個(gè)非常成功的控制系統方案。該PLC系統已經(jīng)運行兩年多，系統性能穩定，滿(mǎn)足了工藝控制要求，創(chuàng )造了較好的經(jīng)濟效益。

    參考文獻

    1 ABB公司 《ACS800-04P/07P泵和風(fēng)機傳動(dòng)應用程序固件手冊》，2006年

    2 ABB公司 《PROFIBUS-DP適配器模塊RPBA-01用戶(hù)手冊》，2002年

    3 施耐德變頻器公司 《ATV71和ATV61的Profibus-DP連接使用手冊》，2006年

    4 施耐德電氣公司 《Altivar 71異步電機變頻器編程手冊》，2005年

    5 尤耐特電氣公司 《UNT-MMI智能MMC控制保護管理裝置使用手冊》，2006年

    作者簡(jiǎn)介：
   
    邱田迎(1978-),男,山東日照人，區域工程師,本科，現就職于山東齊韻有色冶金工程設計院有限公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制工作。

    林杰(1964-),男, 山東淄博人，主管工程師, 現就職于山東齊韻有色冶金工程設計院有限公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制工作。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第五期