滑軌銑磨床MM440變頻器的Profibus總線通信與調(diào)試

劉紅安，李元華

航空工業(yè)西安飛機分公司 陜西西安 710089

1 序言

隨著西門子自動化運動控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸普及，西門子MM440變頻器在數(shù)控設(shè)備中也得到廣泛的應(yīng)用。西門子MM440變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件，具有比例控制、積分控制功能的閉環(huán)控制輸出特性，其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率可選，因而可降低電動機運行的噪聲。西門子MM440變頻器還具有磁通電流控制（FCC）功能，能夠改善動態(tài)響應(yīng)和電動機的控制特性，用于控制三相交流電動機的速度，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。目前，MM440變頻器與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)如西門子840D PL等系統(tǒng)的主流通信方式采用了Profibus總線通信嵌入式連接，集成到自動化系統(tǒng)中。

1臺捷克產(chǎn)滑軌銑磨床采用西門子840D PL數(shù)控系統(tǒng)，加裝金剛石砂輪磨頭，同時又配置砂輪片修調(diào)器，可對金剛石砂輪磨頭進(jìn)行動態(tài)、靜態(tài)的精修。機床的砂輪磨削精度要求高，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間（砂輪直徑的檢測時間和磨削器的啟停時間）可以獲得高的動態(tài)響應(yīng)性；在設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，又可以利用西門子840D PL數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷功能快速診斷故障，減少停機時間，因而采用Profibus DP總線來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化。因此，將MM440變頻器的Profibus總線通信“無縫”嵌入到機床的總體控制當(dāng)中，減少現(xiàn)場布線的數(shù)量，便于重新編程、監(jiān)測和控制。

2 西門子MM440變頻器的基本參數(shù)配置

西門子MM440變頻器在進(jìn)行Profibus總線通信時必須進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)配置（見表1），設(shè)定P0010=1，即變頻器開始快速調(diào)試。如果調(diào)試結(jié)束后設(shè)定P3900=1，表示結(jié)束快速調(diào)試，進(jìn)行電動機計算和復(fù)位，此時P0010自動返回“0”值，表示電動機準(zhǔn)備運行。

表1 MM440變頻器的基本參數(shù)配置

（續(xù)）

在完成快速調(diào)試后，變頻器就可以正常地驅(qū)動電動機了。下面就可以根據(jù)需要設(shè)置Profibus DP通信控制的方式和各種參數(shù)。

3 MM440變頻器與S7-300的Profibus DP通信

為了連接成Profibus DP系統(tǒng)，必須采用Profibus接口模板——CBP2模板，安裝在變頻器的正面，通過RS485串行接口與變頻器進(jìn)行通信。S7-300 PLC通過Profibus DP通信實現(xiàn)對砂輪片修整器進(jìn)行控制，實現(xiàn)砂輪片修整器的起動、停車和調(diào)速的過程。

（1）S7-300 PLC硬件組態(tài)MM440變頻器 在STEP-7編程工具中，新建一個S7-300的項目，在項目中對MM440變頻器進(jìn)行組態(tài)，并創(chuàng)建一個Profibus DP網(wǎng)絡(luò)，自動分配接口地址范圍，如圖1所示。

圖1 PLC硬件組態(tài)

在組態(tài)中出現(xiàn)的PPO，即參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象（Parameter Process data Object）, S7-300 PLC主站使用PPO周期地讀取從站參數(shù)，對于MM440變頻器，可以指定PPO3編寫數(shù)據(jù)交換程序。PPO分為兩部分：PKW區(qū)和PCD區(qū)。它為這兩個區(qū)域分配12個輸入、輸出地址區(qū)。PKW即參數(shù)索引值，由4個字構(gòu)成，PKW＝PKE+IND+PWE。PKE即參數(shù)標(biāo)識，PKE發(fā)出讀寫變頻器參數(shù)的指令及參數(shù)值，是報文的第1個字；IND即索引，是報文的第2個字；PWE即參數(shù)值，如在表1中提及的MM440變頻器的基本參數(shù)，是報文的第3和第4個字。PCD區(qū)是過程數(shù)據(jù)通道。

PKW區(qū)主要用來讀取非連接器參數(shù)。比如說速度環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)、濾波時間常數(shù)及給定值斜坡上升/下降等參數(shù)，這些都不能通過PCD方式讀取，只能用PKW方式才能訪問讀取。

PCD區(qū)傳輸?shù)倪^程變量在PPO類型或者變頻器中已經(jīng)定義，PCD區(qū)傳輸?shù)氖侵髡景l(fā)送控制字、頻率設(shè)定值到從站和從站返回狀態(tài)字、實際值到主站。PCD區(qū)傳輸過程數(shù)據(jù)的數(shù)量由PPO類型或者變頻器決定。PCD的過程數(shù)據(jù)包括速度、頻率、電流、電壓、轉(zhuǎn)矩和功率等數(shù)據(jù)值。PCD區(qū)由2個字構(gòu)成，PCD＝STW/ZSW+MS/MAV。STW，即控制字QW257；ZSW，即狀態(tài)字IW257；MS，即主設(shè)定值QW259；MAV，即主實際值IW259。

（2）S7-300的地址區(qū)與參數(shù)的定義 S7-300 PLC主站通過類型4的PPO實現(xiàn)的通信是一種循環(huán)數(shù)據(jù)交換，非常易于編程?？刂谱趾椭髟O(shè)定值從SIMATIC CPU的PLC主站被發(fā)送到MM440變頻器。變頻器在響應(yīng)報文中返回狀態(tài)字和主實際值，狀態(tài)字：IW257；控制字：QW257；頻率實際值：IW259；頻率設(shè)定值：QW259?？刂谱职?6個用于控制驅(qū)動ON/OFF、旋轉(zhuǎn)方向的二進(jìn)制信號，通過指令T QW257將信號傳送到MM440變頻器。

因為SIMATIC CPU主站要控制砂輪片修調(diào)器的ON/OFF、旋轉(zhuǎn)方向及速度變化，因此主要分析控制字QW257的數(shù)據(jù)位（見表2）。

表2 控制字QW257的數(shù)據(jù)位

西門子變頻器有3種停車方式：自由停車、正常停車和快速停車，區(qū)別如下：OFF1表示斜坡停車；OFF2表示自由停車；OFF3表示快速停車，即按照快速停車的斜坡降速的，常常用作緊急停車。相比較，OFF3停車最快，OFF1次之，OFF2最慢。

（3）S7程序中控制MM440變頻器 首先在S7的變量表中，預(yù)設(shè)定頻率設(shè)定值：QW259為W#16#4000，即砂輪片修整器電動機的頻率為50Hz（對應(yīng)電動機的額定轉(zhuǎn)速），再將控制字QW257預(yù)設(shè)定為W#16#047F，即電動機準(zhǔn)備運行；預(yù)設(shè)定為W#16#067F，即電動機左轉(zhuǎn)運行；預(yù)設(shè)定為W#16#057F，即電動機右轉(zhuǎn)運行?？梢詫φ毡?控制字QW257的地址的數(shù)據(jù)位設(shè)定砂輪片修整器電動機的控制狀態(tài)，其控制程序如圖2所示。

圖2 MM440變頻器的控制程序

S7控制砂輪片修調(diào)器的程序經(jīng)過編輯，并編譯完成后，下載到SIMATIC S7-300 CPU中自動運行。在西門子840D PL的NC中通過相應(yīng)指令將M10.0接通，則將額定轉(zhuǎn)速指令發(fā)送到MM440變頻器，但是此時砂輪片修調(diào)器并不會轉(zhuǎn)，必須通過M10.1接通STW的第10個標(biāo)志位“通過PLC進(jìn)行控制”，再接通M10.2，將STW的第8個標(biāo)志位“點動向右”置“1”，此時砂輪片修調(diào)器電動機按照額定轉(zhuǎn)速起動，向右轉(zhuǎn)。而接通M10.3，則將STW的第9個標(biāo)志位“點動向左”置“1”，此時砂輪片修調(diào)器電動機按照額定轉(zhuǎn)速起動，向左轉(zhuǎn)。

4 西門子MM440變頻器的應(yīng)用擴(kuò)展

SIMATIC CPU通過Profibus DP通信對MM440變頻器進(jìn)行控制，除了上述PCD區(qū)的控制字外，還可以實時在現(xiàn)場采集狀態(tài)字IW257以及頻率實際值IW259，與實際頻率及轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，以構(gòu)成控制更為精密的閉環(huán)控制及PID控制。而且CPU通過Profibus DP通信還可以讀取或者改寫MM440變頻器的設(shè)定參數(shù)，結(jié)合其他軟件如WinCC等做二次開發(fā)，在西門子840D PL的OPI界面上進(jìn)行顯示，達(dá)到在線監(jiān)控和診斷的目的。

在滑軌銑磨床的控制系統(tǒng)中，西門子840D PL通過Profibus DP通信實現(xiàn)對砂輪片修整器進(jìn)行控制，磨削速度穩(wěn)定，實時響應(yīng)性高，砂輪盤直徑圓度好、精度高，從而保證了工件的高精度磨削加工要求。

5 結(jié)束語

隨著數(shù)控技術(shù)朝著高速度、高精度、復(fù)合化和網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展與市場競爭的加劇，產(chǎn)品設(shè)計周期縮短，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，產(chǎn)品的精度要求也越來越高。數(shù)控機床功能以及應(yīng)用水平的開發(fā)在一定程度上反映了一個公司的科研開發(fā)和制造能力的高低。

基于Profibus總線的控制方案在數(shù)控機床上的應(yīng)用非常普遍，也是國際上現(xiàn)代工業(yè)控制的比較先進(jìn)的控制方案，其前景將非常廣闊。因此，深入研究MM440變頻器的Profibus DP總線的控制技術(shù)，對于提高設(shè)備利用率和保證設(shè)備正常生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實意義。