PROFIBUS-DP與PLC異步電機變頻調(diào)速研究

艾 紅，朱 銘

AI Hong, ZHU Ming

（北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100192）

0 引言

以PLC作為電機控制系統(tǒng)的核心裝置，不但可以實現(xiàn)對電機的高精度控制，而且能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定運行。PLC結(jié)合組態(tài)軟件使用，通過組態(tài)軟件設(shè)計人機友好界面，可以使控制系統(tǒng)在控制過程中更加直觀方便，可以實時監(jiān)控電機的運行狀態(tài)。結(jié)合S7-300 PLC和MICROMASTER變頻器MM440，應(yīng)用PROFIBUS-DP，以三相異步電機為控制對象，組成異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，完成對異步電機閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變頻控制[1]。

1 異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

PLC的CPU型號選擇西門子CPU313C-2DP。電機型號選擇YZA7124三相異步電機，頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。變頻器型號選擇西門子MICRO MASTER MM440。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

S7-300作為主站（DP Master），通過PROFIBUSDP總線連接變頻器MM440，其中變頻器MM440為從站（DP Slave）。編碼器反饋信號有兩個分別是A相和B相。A相接到PLC的DI/DO模塊上的I0.0，B相接到I0.1。編碼器旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈，A相和B相都發(fā)出相同的脈沖個數(shù)，但是A相和B相之間存在一個90°的電氣角相位差，根據(jù)這個相位差來判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時，A相超前B相90°，反轉(zhuǎn)時，B相超前A相90°。

2 PLC與MM440變頻器之間的通信

2.1 MM440變頻器通訊參數(shù)設(shè)置

通過PLC連接PROFIBUS-DP總線對變頻器進行控制，需要對變頻器設(shè)置一定的參數(shù)。將變頻器設(shè)置為PROFIBUS控制，設(shè)定P0700=6表示設(shè)置PROFIBUS信號源即表示變頻器的啟動與停止命令來源于PROFIBUSDP，設(shè)定P1000=6表示頻率給定值來源于通訊板，通過PROFIBUS-DP讀取該值。變頻器內(nèi)部有7個DIP開關(guān)可以設(shè)置地址或通過修改P0918參數(shù)，但P0918設(shè)定值一定要與系統(tǒng)的硬件配置一致。設(shè)置P0918=3表示定義變頻器的PROFIBUS-DP地址。DIP開關(guān)的優(yōu)先級高于P0918。P0918可以設(shè)為1～125。最好設(shè)置DIP和P0918數(shù)值一樣。設(shè)置的站地址必須與STEP7中軟件中硬件組態(tài)的地址保持一致，否則不能通信。當(dāng)變頻器參數(shù)設(shè)置完成后，點擊下載按鈕，如果PLC和變頻器能夠正常通信，則變頻器的綠燈應(yīng)保持為常綠狀態(tài)。

圖1 基于PROFIBUS的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

2.2 用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是針對參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象PPO而言，即表明參數(shù)過程數(shù)據(jù)是通過何種數(shù)據(jù)格式建立通信和傳遞數(shù)據(jù)。在通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，大部分是既帶有參數(shù)區(qū)域也有過程數(shù)據(jù)區(qū)域，而有的僅有過程數(shù)據(jù)。針對變頻器通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要有5種PPO類型。對于變頻器MM440選取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PPO1。PPO1包括4個字的PKW數(shù)據(jù)和2個字的PZD數(shù)據(jù)。PPO1類型數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 PPO1類型數(shù)據(jù)格式

MM440周期性數(shù)據(jù)通訊報文有效數(shù)據(jù)區(qū)域由兩部分構(gòu)成即PKW區(qū)和PZD區(qū)。PKW區(qū)占四個字，PKE占1個字，IND占1個字，PWE占2個字，分別是PWE1和PWE2。在主站中設(shè)定PPO1模式，則主站PLC進行數(shù)據(jù)輸入和輸出，并且只有PKW四個字和PZD1和PZD2的數(shù)據(jù)有效。PKW中的數(shù)據(jù)可以設(shè)定和讀取變頻器的參數(shù)值，PZD1和PZD2可以控制變頻器的運行，包括修改變頻器運行輸出頻率和控制電機啟停等?？梢詫崿F(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)控制等，可以改變頻率設(shè)定值達(dá)到變頻調(diào)速的目的。

2.3 參數(shù)識別ID—數(shù)值區(qū)PKW

參數(shù)識別ID—數(shù)值區(qū)PKW前兩個字分別是參數(shù)標(biāo)識符PKE和索引IND，主要功能是處理主站請求與相應(yīng)的應(yīng)答報文。PKW區(qū)后兩個字的作用是寫入變頻器參數(shù)，用于訪問變頻器參數(shù)值。PKW區(qū)的第1個字為PKE，用來描述參數(shù)識別標(biāo)記，用16位表示。位10～位0（PNU）描述所請求基本參數(shù)號碼，位11（SPM）用于參數(shù)變更報告的觸發(fā)位，位15～位12（AK）分為任務(wù)與應(yīng)答兩種模式。PKW區(qū)的第2個字為IND，用來描述參數(shù)的下標(biāo)和PNU參數(shù)頁碼。完整的參數(shù)號碼是由基本參數(shù)號碼和PNU參數(shù)頁碼組成?？偸且噪p字（32位）來傳送參數(shù)值PWE。在PPO報文中，僅一個參數(shù)值能被傳送。由PKW的第3個字即PWE1（高位有效字）和PKW的第4個字即PWE2（低位有效字）組成一個32位參數(shù)值。

2.4 過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD

通信報文中過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD的作用是對變頻器的頻率進行讀寫操作。在PZD區(qū)，用戶可以寫入控制字以及頻率的設(shè)定值，也可以讀取狀態(tài)值以及頻率的實際值。

對于PZD1是STW時，是對變頻器的過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD進行寫入操作。寫入的STW是變頻器的控制字，例如對異步電機實施控制，控制電機正向運行時控制字為0000，0100，0111，1111B（047FH），當(dāng)控制電機使其停機時控制字參數(shù)為0000，0100，0111，1110B（047EH）。STW的位0控制驅(qū)動是否打開。對于PZD2是HSW時，是對變頻器的過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD進行寫入操作。寫入的HSW為主設(shè)定值，是需要設(shè)定的變頻器頻率。頻率范圍從0～50Hz。數(shù)值以十六進制的形式發(fā)送，頻率設(shè)定值和實際值都要進行標(biāo)準(zhǔn)化，如16進制的4000H即為十進制的16384對應(yīng)50Hz。可以在變頻器P2000參數(shù)更改標(biāo)準(zhǔn)化的頻率值。2000H就是標(biāo)準(zhǔn)化的25Hz，負(fù)數(shù)則反向。

對于PZD1是ZSW時，是對變頻器的過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD進行讀出操作。讀取的ZSW是變頻器狀態(tài)字。對于PZD2是HIW時，是對變頻器的過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD進行讀出操作。讀取的HIW為參數(shù)主實際值，即為變頻器的實際輸出頻率值。例如，需要控制電機進行正向轉(zhuǎn)動時，設(shè)置頻率為25.00Hz，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為700r/min。具體設(shè)置方法是通過對PZD區(qū)的數(shù)據(jù)進行寫入操作047E 2000H，通過讀取PZD區(qū)的應(yīng)答報文得到參數(shù)是FB31 0000H。

3 S7-300實現(xiàn)PROFIBUS-DP通信程序

3.1 系統(tǒng)功能函數(shù)SFC14和SFC15

S7-300使用系統(tǒng)功能SFC14和SFC15讀取和修改MM440變頻器參數(shù)。通過對變頻器的讀寫操作，可以實現(xiàn)對變頻器輸出頻率進行控制，進而可以使用變頻調(diào)速控制電機。為了存取連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，需要調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14（DPRD_DAT）和SFC15（DPWR_DAT）完成數(shù)據(jù)的讀寫。若想讀取DP從站的輸入數(shù)據(jù)要使用SFC14（DPRD_DAT），要從DP從站讀取若干個連續(xù)的輸入模塊，就要對每一個輸入模塊分配一個系統(tǒng)功能SFC14用于數(shù)據(jù)調(diào)用。系統(tǒng)功能SFC15的作用是輸出連續(xù)數(shù)據(jù)區(qū)域。SFC14與SFC15一樣，可以查看返回值RECORD的值用來判斷讀寫是否發(fā)生錯誤。通常情況下沒有錯誤時，RECORD的返回值為W#16#0000。

3.2 對過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD 的讀寫

在STEP7中對過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD讀寫參數(shù)時要調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14（“DPRD_DAT”）和系統(tǒng)功能SFC15（“DPWR_DAT”）。通過SFC14讀取MM440的數(shù)據(jù)，通過SFC15向MM440中寫入數(shù)據(jù)。硬件組態(tài)時PZD的起始地址是W#16#108（即十進制數(shù)264）。在主程序組織塊OB1中調(diào)用SFC14和SFC15如圖3和圖4所示，其中返回值RET_VAL為0，表示沒有錯誤發(fā)生[2,3]。

狀態(tài)字和實際頻率值可以從數(shù)據(jù)塊DB1中讀出，獲取變頻器的參數(shù)值?？刂谱趾驮O(shè)定值可以向數(shù)據(jù)塊DB1中傳送寫入到變頻器中。

圖3 讀取從站MM440 PZD數(shù)據(jù)

圖4 寫入從站MM440 PZD數(shù)據(jù)

圖3 中通過SFC14可以從DB1.DBW8和DB1.DBW10讀出狀態(tài)字和實際頻率值。系統(tǒng)功能SFC14的RECORD參數(shù)P#DB1.DBX8.0 BYTE 4表示從DB1.DBX8.0開始讀取4個字節(jié)變頻器的參數(shù)值，其中DB1.DBW8是狀態(tài)字信息，DB1.DBW10是實際頻率值。系統(tǒng)功能SFC14的參數(shù)LADDR是W#16#108表示硬件地址是264。

圖4中DB1.DBW20和DB1.DBW22分別通過SFC15向變頻器寫入控制字和頻率設(shè)定值。系統(tǒng)功能SFC15的RECORD參數(shù)P#DB1.DBX20.0 BYTE 4表示從DB1.DBX20.0開始的4個字節(jié)可以寫入變頻器控制參數(shù)值，其中DB1.DBW20是變頻器的控制字信息，DB1.DBW22是變頻器的給定頻率值。系統(tǒng)功能SFC15的參數(shù)LADDR是W#16#108表示硬件地址是264。

4 S7-300控制電機程序設(shè)計

4.1 控制電機程序

電機啟動分為兩個步驟。首先讓電動機處于準(zhǔn)備運行狀態(tài)，寫入過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD中的控制字STW為W#16#047E，主設(shè)定值HSW為期望頻率并發(fā)送；然后再寫入控制字STW為W#16#047F，主設(shè)定值HSW為期望頻率，此后電動機開始運行。電機運行時按下停止按鈕，電機將停止轉(zhuǎn)動。停機時寫入過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD中的控制字STW為W#16#047E以及主設(shè)定值HSW為W#16#0000，使電動機保持停止運行的狀態(tài)。同時復(fù)位指示燈和復(fù)位啟動和點動按鈕。

4.2 獲取異步電機運行參數(shù)

通過變頻器獲取異步電機的運行參數(shù)，包括控制輸出電壓、輸出電流、頻率和轉(zhuǎn)矩。以250ms的頻率刷新當(dāng)前的輸出電壓、輸出電流、頻率以及轉(zhuǎn)矩值，這些參數(shù)的存儲形式為32位浮點數(shù)，分別保存在變頻器參數(shù)r0025、r0027、r0021和r0031中。輸出電壓、輸出電流、頻率和轉(zhuǎn)矩的參數(shù)值說明如下。

r0021是實際頻率，r0025是實際輸出電壓，r0027是實際輸出電流，r0031是實際轉(zhuǎn)矩。如想驗證參數(shù)是否讀取正確，可以根據(jù)參數(shù)號驗證，也可以在變頻器設(shè)置中查看。

PLC向變頻器請求1019 0000 0000 0000，019H=25表示請求讀取輸出電壓。

圖5 觸發(fā)讀取電壓值

圖6 讀取電壓參數(shù)

圖5 中觸發(fā)讀取電壓信號VOLTAGE_SEND，在PKW中寫入（DW#16#1019 0000），019H=25，參數(shù)號是25表示是輸出電壓。此時讀取的是變頻器輸出電壓參數(shù)。圖5中地址LADDR是W#16#100表示硬件地址256，參數(shù)信息存儲于DB1.DB12開始的8個字節(jié)。圖6中當(dāng)系統(tǒng)讀回PKW中PKE參數(shù)為8217（2019H）時，019H=25表明讀取參數(shù)是正確的輸出電壓，因此可以利用是否等于8217作為判斷輸出電壓條件，將讀取電壓值（DB1.DB4～DB1.DB7）存儲在電壓值存儲區(qū)VOLTAGE中，然后再觸發(fā)讀取電流信號CURRENT_SEND。

當(dāng)系統(tǒng)讀回PKW中PKE參數(shù)為8219（201BH）時，1BH=27表明讀取的參數(shù)是正確的輸出電流，可以利用是否等于8219作為判斷輸出電流條件。這樣通過比較系統(tǒng)讀回的參數(shù)數(shù)值是否正確，分別讀取輸出電壓、輸出電流、頻率和轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)從變頻器讀取到數(shù)據(jù)后，要對數(shù)據(jù)進行處理。從變頻器讀取到的數(shù)據(jù)是浮點型參數(shù)值，可以通過浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)的方法進行轉(zhuǎn)換（REAL→DINT），也可以直接使用，因為PLC顯示數(shù)值的形式可以改變，用戶可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)顯示設(shè)置為十進制、十六進制等。

通過變頻器同時讀取輸出電壓、輸出電流、頻率和轉(zhuǎn)矩時，由于一個數(shù)據(jù)塊DB一次只能讀取一個數(shù)據(jù)，同時也為了防止數(shù)據(jù)之間的交差錯亂，可以根據(jù)需要建立三個數(shù)據(jù)塊DB2、DB3、DB4用于讀取不同的參數(shù)。不能通過并行讀取方法讀取變頻器數(shù)據(jù)，需要按照順序依次讀取。每次讀完一個參數(shù)之后，發(fā)出下一個參數(shù)的讀信號脈沖，讀取下一個參數(shù)值。

5 S7-300實現(xiàn)異步電機閉環(huán)控制

5.1 電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

S7-300 PLC提供了一個功能塊FB41連續(xù)控制PID。系統(tǒng)使用FB41構(gòu)成電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。給定值與實際轉(zhuǎn)速值進行計算得到偏差，經(jīng)過PID控制器的作用輸出，再通過功能塊FC106轉(zhuǎn)換為電機轉(zhuǎn)速值傳送給電機，經(jīng)過光電編碼器測量實際轉(zhuǎn)速值，再傳送給PID控制器，這樣就構(gòu)成了電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。其中SP_INT是PID控制器給定值，MOTOR_SPEED是PID控制器中電機的實際轉(zhuǎn)速測量值。

圖7 電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

5.2 功能塊FC106實現(xiàn)浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為工程量

調(diào)用FC106功能塊的作用是將連續(xù)PID控制器FB41輸出值的LMN轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值。PID控制器的輸出值是0～100%，要實現(xiàn)PID控制器對系統(tǒng)的閉環(huán)控制，需要將PID輸出0～100%轉(zhuǎn)換為0～1400r/min，這是一個線性轉(zhuǎn)換?？梢哉{(diào)用FC106功能塊如圖8所示。FC106的輸出值直接輸出轉(zhuǎn)速值。如果經(jīng)過功能塊FB41輸出的LMN值為40.7513，通過下列運算可以看出，LMN值40.7513經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換變?yōu)?676，計算過程如式(1)所示。

得到量程變換結(jié)果x=6676。這是相對于計算機中的數(shù)值范圍（0～16384）而言，假設(shè)輸出的轉(zhuǎn)速值為y，計算過程如式(2)所示。

得到輸出的轉(zhuǎn)速值y為570.46r/min。

5.3 閉環(huán)帶負(fù)載轉(zhuǎn)速調(diào)試結(jié)果

圖9是S7-300 PLC控制變頻器MM440的閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控界面，是閉環(huán)PID控制轉(zhuǎn)速從300r/min提升到800r/min的過程，電機轉(zhuǎn)速上升過程中有一個超調(diào)，最后能準(zhǔn)確跟隨轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

圖8 調(diào)用FC106功能

圖9 閉環(huán)轉(zhuǎn)速曲線顯示

6 WinCC flexible監(jiān)控畫面設(shè)計

設(shè)計HMI監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)包括建立HMI監(jiān)控項目，建立通信，實現(xiàn)人機界面和PLC之間的通信連接，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控。編輯報警消息，進行用戶管理，設(shè)置不同的操作權(quán)限。WinCC flexible監(jiān)控組態(tài)是經(jīng)PLC以“變量”形式，完成人機接口HMI與生產(chǎn)過程之間的通信連接。在變量編輯器中，可以為速度值SPEED指定上下限。根據(jù)電機參數(shù)可知，電機的轉(zhuǎn)速值有一定限制，因此可以對變量SPEED進行限制，在“屬性”→“限制值”中輸入上下限。而且這兩個值都可以創(chuàng)建模擬量報警。在閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控界面中，通過設(shè)置PID參數(shù)，對電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制，點擊“啟動”，此時異步電機的轉(zhuǎn)速將緊緊跟隨轉(zhuǎn)速設(shè)定值而變化。閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控界面

7 結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，簡化了控制過程，而且可以通過現(xiàn)代化通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對生產(chǎn)現(xiàn)場進行遠(yuǎn)程操控，提高了設(shè)備運行的安全性。使用西門子S7-300 PLC是通用型的可編程控制器，能適應(yīng)工業(yè)控制的各種應(yīng)用現(xiàn)場。在PROFIBUS-DP上可用周期性數(shù)據(jù)通訊控制變頻器，S7-300 PLC通過與PROFIBUS-DP通信，對從站MM440變頻器進行控制，完成對異步電機的控制，實現(xiàn)電機的啟動和停止、點動和正反轉(zhuǎn)的操作，并通過變頻器獲取異步電機的運行參數(shù)，包括獲取輸出電壓、輸出電流、頻率和轉(zhuǎn)矩。文中較好地應(yīng)用現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP實現(xiàn)了異步電機變頻調(diào)速功能[4,5]。

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