基于上位機(jī)與S120直接通訊的自動(dòng)化系統(tǒng)

楊飛

（西門子電氣傳動(dòng)有限公司 天津 300384）

基于上位機(jī)與S120直接通訊的自動(dòng)化系統(tǒng)

楊飛

（西門子電氣傳動(dòng)有限公司 天津 300384）

SINAMICS S120是西門子公司推出的集V/f、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動(dòng)控制解決方案，由于其性能高和靈活性好，因此具有廣泛的傳動(dòng)應(yīng)用價(jià)值。為了簡(jiǎn)化S120的控制系統(tǒng)，提出了基于上位機(jī)與SINAMICS S120直接通訊的方案，將原有的上位機(jī)、PLC和S120的3層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為上位機(jī)、S120的2層結(jié)構(gòu)，并結(jié)合具體實(shí)例詳細(xì)介紹了上位機(jī)與西門子S120直接通訊的軟硬件需求和配置過(guò)程。

SINAMICS S120；控制單元CU320；過(guò)程控制；S7協(xié)議；.NET架構(gòu)

目前，典型的S120控制系統(tǒng)普遍采用上位機(jī)、PLC和S120的3層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)如圖1所示。在這個(gè)系統(tǒng)中處于中間層的PLC主要承擔(dān)以下工作：信號(hào)采集（PLC I/O）；邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算（PLC CPU）；接收上位機(jī)的指令；向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；向S120發(fā)送數(shù)據(jù)。S120的控制器CU320-2具有以下功能：數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出（選件）、自由功能模塊、驅(qū)動(dòng)控制圖（DCC）編程。其中，驅(qū)動(dòng)控制圖包括：邏輯運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、閉環(huán)控制、工藝功能和系統(tǒng)功能。在一些控制系統(tǒng)中，CU320-2完全可以取代PLC的信號(hào)采集和運(yùn)算控制功能，這樣不但可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且可以降低成本。因此，如果解決了上位機(jī)與CU320-2之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化為上位機(jī)和S120的2層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的S120控制系統(tǒng)Fig.2 Simplified S120 control system

2 上位機(jī)與S120通訊

2.1 通訊方式

目前，上位機(jī)與CU320有以下3種通訊方式：PROFIBUS通訊、PROFINET 通訊、Ethernet通訊。這3種通訊方式的區(qū)別如表1所示。

表1 通訊方式Tab.1 Communication type

PROFIBUS方式只能用于CU320-2 DP，而且上位機(jī)需要相應(yīng)的適配器；PROFINET方式用于CU320-2 DP時(shí)需要增加選件CBE20。

綜合比較結(jié)果，采用Ethernet通訊方式，通訊協(xié)議為西門子S7協(xié)議。西門子S7協(xié)議是一個(gè)專有協(xié)議。它用于建立計(jì)算機(jī)和西門子自動(dòng)化系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的通訊。PROFIBUS，PROFINET和Ethernet通訊系統(tǒng)都可以支持S7協(xié)議。

2.2 準(zhǔn)備工作

1）硬件。包括：SINAMICS S120變頻器、帶以太網(wǎng)口的電腦、網(wǎng)線。

2）軟件。包括：SIMATIC NET V7.1，STEP7 V5.5，STARTER V4.4.1，Windows XP SP3。

如果上位機(jī)的操作系統(tǒng)是其他版本的Windows，請(qǐng)選擇與其對(duì)應(yīng)的SIMATIC NET，STEP7和STARTER軟件。

3）系統(tǒng)配置。分為3個(gè)步驟：通過(guò)STARTER配置CU320-2；通過(guò)STEP7配置上位機(jī)OPC服務(wù)器；通過(guò)SIMATIC NET加載上位機(jī)OPC服務(wù)器。

3 實(shí)例研究

下面以1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)為例詳細(xì)介紹系統(tǒng)的配置過(guò)程。

3.1 系統(tǒng)硬件型號(hào)

系統(tǒng)硬件型號(hào)如表2所示。

表2 硬件型號(hào)Tab.2 Hardware type

3.2 系統(tǒng)功能

該測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，其主要功能是為被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可調(diào)負(fù)載。上位機(jī)和面板2種控制模式可選，通過(guò)面板上的開關(guān)進(jìn)行切換。

圖3 實(shí)例系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of sample

上位機(jī)控制通過(guò)與CU320直接通訊實(shí)現(xiàn)，通訊協(xié)議為西門子S7協(xié)議。

面板控制通過(guò)CU320自帶的I/O端子和TB30選件實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)配置過(guò)程

本例只介紹上位機(jī)與CU320通訊相關(guān)的配置過(guò)程。

3.3.1 通過(guò)STARTER配置CU320-2 DP

用網(wǎng)線連接CU320-2 DP的X127端口和上位機(jī)網(wǎng)口，配置CU320-2 DP的X127端口的IP地址，本例采用的默認(rèn)IP地址：169.254.11.22。

3.3.2 通過(guò)STEP7配置上位機(jī)OPC服務(wù)器

新建STEP7項(xiàng)目，并插入PC Station。在HW Config中選擇對(duì)應(yīng)的OPC Server和IE General，如圖4所示。

圖4 硬件配置Fig.4 Hardware config

在IE General中添加Ethernet，并配置PC Station的IP地址，此地址需要和X127的地址在同一個(gè)網(wǎng)段，本例設(shè)置為：169.254.11.23。在Windows系統(tǒng)中用于OPC服務(wù)器的網(wǎng)卡IP地址必須與PC Station的IP地址相同，因此也設(shè)置為：169.254.11.23。在NetPro中為OPC Server添加S7連接，并設(shè)置S7連接的Local ID和通訊對(duì)象的IP地址，如圖5所示。本例中S7連接的Local ID為默認(rèn)值，通訊對(duì)象的IP地址為CU320-2 DP X127的地址：169.254.11.22。編譯并保存PC Station的硬件配置。

圖5 設(shè)置S7連接Fig.5 Set S7 connection

3.3.3 通過(guò)SIMATIC NET加載上位機(jī)OPC服務(wù)器

打開Station configuration Editor，插入剛剛配置好的PC Station，并啟動(dòng)OPC服務(wù)器，如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)OPC服務(wù)器Fig.6 Starting OPC Server

3.4 S7協(xié)議

S7協(xié)議的通訊格式如下：

S7：［S7-Connection_1］DB＜參數(shù)號(hào)＞，＜數(shù)據(jù)類型＞＜驅(qū)動(dòng)對(duì)ID×1024+下標(biāo)＞

其中，參數(shù)號(hào)對(duì)應(yīng)于S120的p或r參數(shù)號(hào)，數(shù)據(jù)類型是S120參數(shù)的數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)于S7協(xié)議的數(shù)據(jù)類型；驅(qū)動(dòng)對(duì)象ID對(duì)應(yīng)于S120系統(tǒng)配置中的ObjectID。

3.5 測(cè)試

配置完成后可以使用SIMATIC NET自帶的OPC Scout測(cè)試連接是否成功，還可以測(cè)試讀取或?qū)懭雲(yún)?shù)值。

3.6 上位機(jī)軟件

上位機(jī)控制軟件采用Visual Basic 2010.Net開發(fā)，調(diào)用SIMATIC NET提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件OpcRcw.Comn.dll和OpcRcw.Da.dll實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器的交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of system

4 結(jié)論

采用上位機(jī)與西門子S120直接通訊，用CU320取代PLC的信號(hào)采集和運(yùn)算控制功能，將原有的上位機(jī)、PLC和S120的3層結(jié)構(gòu)變?yōu)樯衔粰C(jī)和S120的2層結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低成本。此方案對(duì)于采用其他型號(hào)的西門子變頻器同樣適用。

［1］西門子.SIMATIC NET PC軟件PG/PC工業(yè)通信第1卷——基礎(chǔ)知識(shí)［Z］.Siemens AG，2013.

［2］西門子.SIMATIC NET PC軟件PG/PC工業(yè)通信第2卷——接口［Z］.Siemens AG，2013.

［3］西門子.SIMATIC NET PC軟件調(diào)試PC站——手冊(cè)和快速入門［Z］.Siemens AG，2013.

［4］西門子.SINAMICS S120參數(shù)手冊(cè)［Z］.Siemens AG，2016.

［5］李英杰.VB.NET 2005程序設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2008.

［6］李春葆，金晶，曾平.VB.NET 2005程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Automation System Based on PC and S120 Direct Communication

YANG Fei
（Siemens Electrical Drives Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China）

SINAMICS S120 is introduced by Siemens company，which combines V/f control，vector control and servo control in one drive control solutions.Due to high performance and good flexibility，it has widespread application value of drive.In order to simplify the S120 control system，one scheme which based on PC and S120 direct communication was proposed.It changed the original three layer structures PC，PLC and S120 to two layers structures PC and S120.It presented in detail about the PC and S120 direct communication hardware and software requirements and configuration process with one specific example.

SINAMICS S120；control unit CU320；process control；S7 protocol；.NET framework

TP29

A

10.19457/j.1001-2095.20171016

1 S120控制系統(tǒng)

圖1 典型的S120控制系統(tǒng)
Fig.1 Typical S120 control system

楊飛（1980-），男，碩士研究生，副高級(jí)工程師，Email：yang.fei@siemens.com

2016-10-13

修改稿日期：2016-11-22

SINAMICS S120是西門子公司推出的集V/f、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動(dòng)控制解決方案。它不僅能控制普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，還能控制同步電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)及直線電機(jī)。SINAMICS S120具有模塊化設(shè)計(jì)，可以提供高性能的單軸和多軸驅(qū)動(dòng)，功率范圍涵蓋0.12～4 500 kW，具有廣泛的傳動(dòng)應(yīng)用價(jià)值。由于其具有很高的靈活性能，SINAMICS S120可以完美地滿足應(yīng)用中日益增長(zhǎng)的對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸數(shù)量和性能的要求。