基于Profinet通信協(xié)議的多電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐步滲透到工業(yè)制造各大領(lǐng)域，工業(yè)企業(yè)迫切需要通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快數(shù)字化步伐，以提高生產(chǎn)效率，節(jié)省設(shè)備運(yùn)維成本，滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求。研究在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中通過(guò)Profinet通信協(xié)議將西門(mén)子S7-1200、HMI和G120變頻器等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組成異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。研究?jī)?nèi)容包括控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成、變頻器參數(shù)設(shè)置和PLC控制程序設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)運(yùn)行能完全融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，且監(jiān)控方便、成本低廉。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；Profinet；S7-1200PLC；G120變頻器；HMI

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277.2" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0239-03

Design of Multiple Motor Operation Monitoring System Based on Profinet Communication Protocol

Abstract：With the gradual penetration of the industrial Internet into all major fields of industrial manufacturing， industrial enterprises urgently need to speed up the pace of digitization through the industrial Internet in order to improve production efficiency， save equipment operation and maintenance costs， and meet the individual needs of customers. Studies the composition of a monitoring network for variable frequency speed regulation of asynchronous motors connected by Siemens S7-1200， HMI and G120 frequency converters by means of by Profinet communication protocol. The study includes the hardware structure of control system， the parameter setting of frequency converter and the design of PLC control program. The control system can be fully integrated into the industrial Internet， with the advantages of convenient monitoring and low cost.

Keywords：industrial internet；Profinet；S7-1200PLC；G120 frequency converter；HMI

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（industrial internet）是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)形態(tài)，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造和服務(wù)體系，為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了實(shí)現(xiàn)途徑，是第四次工業(yè)革命的重要基石［1］。

Profinet是一個(gè)開(kāi)放式的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，主要由西門(mén)子公司和Profibus ＆ Profinet國(guó)際組織提出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信。許多現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Profinet協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)。本文研究通過(guò)此協(xié)議，利用S7-1200 PLC和G120變頻器之間的Profinet通信，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控。

1 多電機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成

多電機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的硬件主要包括：西門(mén)子S7-1200系列PLC、不同功率的G120變頻器、西門(mén)子HMI精簡(jiǎn)面板、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、不同功率的三相交流異步電動(dòng)機(jī)等。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件接線(xiàn)示意圖如圖1所示。

2 G120系列變頻器參數(shù)設(shè)置

G120系列變頻器可滿(mǎn)足各種功率的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制需求。不論選擇何種控制方式，在進(jìn)行具體的G120系列變頻器參數(shù)設(shè)置之前，可先確認(rèn)所選電動(dòng)機(jī)的功率大小，然后對(duì)照G120變頻器操作手冊(cè)，選用與各個(gè)電動(dòng)機(jī)功率配套的G120變頻器型號(hào)，并將電機(jī)銘牌上相關(guān)電機(jī)參數(shù)對(duì)應(yīng)輸入G120變頻器即完成基本調(diào)試。最后根據(jù)控制方式選擇宏指令，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改。這里選擇Profinet通信協(xié)議的控制方式，其參數(shù)設(shè)置如表1所示［2］。需要注意的是，同一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)G120變頻器的IP地址不能相同（出廠默認(rèn)是相同的），但都必須和PLC以及HMI都在同一網(wǎng)段，可通過(guò)西門(mén)子博途軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)G120變頻器的IP地址修改。

3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)在博途軟件平臺(tái)的硬件組態(tài)

通過(guò)西門(mén)子博途軟件TIA Portal V16［3］完成監(jiān)控系統(tǒng)中的S7-1200 PLC和G120C變頻器的硬件組態(tài)，如圖2所示。確保組態(tài)的硬件訂貨號(hào)、固件版本均與實(shí)際硬件完全一致，并為組態(tài)的硬件設(shè)備分配各自的設(shè)備名稱(chēng)和IP地址，所組態(tài)的每臺(tái)硬件IP地址為同一網(wǎng)段中的不同地址，同時(shí)配置每臺(tái)G120C變頻器的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文。組態(tài)完成后，將所有硬件組態(tài)及配置下載至實(shí)際的S7-1200 PLC的CPU單元。

在完成上述S7-1200的硬件組態(tài)的下載后，因?yàn)閷?shí)際硬件G120C變頻器的Profinet設(shè)備名稱(chēng)和IP地址還未分配，故實(shí)際的S7-1200 PLC和G120C硬件還不能進(jìn)行通信。必須使實(shí)際硬件G120C變頻器和上述組態(tài)中的G120C所分配的Profinet設(shè)備名稱(chēng)和IP地址一致，才能確保S7-1200 PLC和G120C實(shí)際硬件之間Profinet通信成功。

3.2 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文控制電機(jī)的啟停、換向和速度

S7-1200 PLC通過(guò)向G120C發(fā)送控制字等信息實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、換向以及調(diào)速控制，并可從G120C讀取狀態(tài)信息［4］?，F(xiàn)以其中一臺(tái)變頻器的控制為例，編寫(xiě)其PLC監(jiān)控程序如圖3所示。S7-1200 PLC通過(guò)Profinet PZD通信方式將控制字1（STW1）和主設(shè)定值（NSOLL_A）周期性地發(fā)送至變頻器，變頻器將狀態(tài)字1（ZSW1）和實(shí)際轉(zhuǎn)速（NIST_A）發(fā)送到S7-1200，數(shù)據(jù)流向如表2所示。其他G120C變頻器的PLC控制程序與上述程序類(lèi)似，在此不再贅述。

4 HMI組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用與S7-1200 PLC配套的SIMATIC HMI精簡(jiǎn)面板［5］，SIMATIC HMI精簡(jiǎn)系列面板滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)高品質(zhì)可視化和便捷操作的需求。用戶(hù)可在HMI集中實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，并準(zhǔn)確獲取各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等信息。各電機(jī)的監(jiān)控組態(tài)信息如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于Profinet通信協(xié)議，PLC、HMI和多臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速監(jiān)控穩(wěn)定、可靠、方便、直觀、交互性強(qiáng)，且易于融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，克服了傳統(tǒng)控制方式的不足。PLC和變頻器之間進(jìn)行通信，使得PLC可將控制信息發(fā)送給變頻器，并從變頻器接收電機(jī)運(yùn)行的各種狀態(tài)信息。這些控制信息和狀態(tài)信息都在HMI上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證實(shí)，通過(guò)Profinet實(shí)現(xiàn)的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)效率更高、成本更低、功能更強(qiáng)，既滿(mǎn)足傳統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)控制的一切要求，又順應(yīng)工業(yè)數(shù)字化發(fā)展潮流，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 程曉，文丹楓. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：技術(shù)、實(shí)踐與行業(yè)解決方案［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2020.

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