摘 要：介紹了S7-300系列PLC和施耐德ATV71系列變頻器組成的四電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在四電機(jī)粗紗機(jī)控制系統(tǒng)得到成功應(yīng)用。文章說明了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，重點介紹了基于Profibus的控制系統(tǒng)中PLC和變頻器的通信編程方法。

關(guān)鍵詞：Profibus, PLC, 變頻器，通信技術(shù)

1.引言

可編程控制器（PLC）和交流變頻器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。為滿足控制系統(tǒng)中多變頻器協(xié)調(diào)工作的控制要求，市場上流行的變頻器通常都具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，并將其通信協(xié)議開放給用戶，以利于用戶的良好使用。在眾多的控制系統(tǒng)中，采用的總線多種多樣，其中，Profibus以其獨(dú)特的技術(shù)特點、開放的標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定的傳輸性能得到了廣泛的應(yīng)用。

在基于Profibus總線通信的控制系統(tǒng)中PLC作為控制系統(tǒng)中的主站，負(fù)責(zé)總線管理和從站的通信。變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在系統(tǒng)中處于從站地位。PLC的強(qiáng)大的邏輯處理能力和通信能力能夠通過Profibus得到充分發(fā)揮。本文介紹的控制系統(tǒng)采用的是西門子公司S7-300系列PLC（315-2DP）和施耐德公司的ATV71系變頻器，并將其應(yīng)用在紡織行業(yè)中的四電機(jī)粗紗機(jī)控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖一所示，控制系統(tǒng)中的四個電機(jī)分別由相應(yīng)的變頻器進(jìn)行控制，四電機(jī)速度控制要嚴(yán)格按照粗紗工藝要求，PLC在不同階段按照工藝曲線計算速度變化，從而保證良好的產(chǎn)品質(zhì)量。

PLC在控制系統(tǒng)中作為主站，在整機(jī)紡紗過程的不同階段，PLC根據(jù)程序計算出各個電機(jī)的速度，按照Profibus通信協(xié)議，將速度命令信號發(fā)送給變頻器。變頻器獲得命令信號后執(zhí)行動作并反饋運(yùn)行狀態(tài)和故障報警信號給PLC.

S7-300 315-2DP有兩種通信接口：MPI接口和Profibus-DP接口。本控制系統(tǒng)中MPI接口用于連接Proface人機(jī)界面。便于操作工進(jìn)行整機(jī)操作。Profibus-DP接口引出Profibus總線，ATV71變頻器則通過該總線和PLC進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信。Profibus總線最多可以設(shè)置127個從站，也給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展增加了靈活性。

施耐德公司的ATV71變頻器是高性能磁通矢量控制變頻器，擁有良好的低頻特性，可以很好的滿足粗紗工藝對低頻區(qū)的要求。但其內(nèi)置的總線接口是Modbus總線，只符合Modbus總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，所以不能直接連接到Profibus總線，故需要為每個變頻器選配一塊PROFIBUS-DP的通訊卡來支持和西門子PLC的通訊。

圖一：四電機(jī)粗紗機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.總線通信幀格式和狀態(tài)機(jī)

根據(jù)PROFIBUS-DP協(xié)議的規(guī)定，數(shù)據(jù)的交換要按照主從模式的原則來進(jìn)行，只有主站才能對總線通訊做初始化工作。而從站的工作模式就和服務(wù)器工作的模型一樣，應(yīng)答從站發(fā)送過來的請求信號。同一根總線上可以有多個主站，它們都可以讀取從站的I/O信號，不過只有一個主站可以對從站實施寫操作。

3.1 通信協(xié)議幀格式

數(shù)據(jù)交換的時候需要有固定的幀格式，該幀格式在PROFIBUS-DP總線協(xié)議中稱為PPO（Parameter-Process Data-Object）;PPO又由PKW和PZD兩部分組成。PKW是用來讀寫非周期性數(shù)據(jù)，包括參數(shù)設(shè)定、配置和診斷;PZD是用來讀寫周期性的數(shù)據(jù)，即讀寫I/O信號。在PROFIBUS-DP總線協(xié)議中，有五類PPO，各類PKW和PZD所要求的字?jǐn)?shù)都不一樣。

ATV71的Profibus通信卡所要求的輸出輸入數(shù)據(jù)幀格式采用PPO5，如下表：

表一：輸出數(shù)據(jù)幀格式

表二：輸出數(shù)據(jù)幀格式

PKW部分：PKE代表的是所要求修改參數(shù)的邏輯地址，該地址可以通過變頻器內(nèi)部通訊變量表查詢獲得;R/W/N代表讀/寫請求或者是錯誤信息，分別用ASCII碼表示;PWE為所修改的參數(shù)的值。

PZD部分：CMDD表示命令字，即表示對變頻器發(fā)送指令，要求其完成指定的功能;LFRD表示所需要對變頻器發(fā)送的參考轉(zhuǎn)速（RPM）;CMI表示內(nèi)部命令寄存器，主要是對命令做一些補(bǔ)充。ETAD表示狀態(tài)字，反映了變頻器當(dāng)前所處在何種狀態(tài);RFRD表示當(dāng)前電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速（RPM）;本控制系統(tǒng)最為關(guān)注的是PZD2的數(shù)值，PLC需要變頻器反饋電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，然后通過程序進(jìn)行速度校正。其它參數(shù)設(shè)計到電機(jī)的電流、電壓等一些其它狀態(tài)。

3.2 狀態(tài)機(jī)

ATV71屬于磁通矢量變頻器，即在變頻器等待發(fā)送頻率前要對電機(jī)先建立磁通，磁通建立好后再向變頻器發(fā)送頻率信號來啟動變頻器工作。建立磁通的過程要嚴(yán)格按照此變頻器的通信狀態(tài)機(jī)進(jìn)行，狀態(tài)機(jī)如下：

圖二：通信狀態(tài)機(jī)

根據(jù)如上的狀態(tài)機(jī)圖，變頻器上電以后變頻器的狀態(tài)就變成了開啟非使能，此時變頻器處于鎖定狀態(tài)，狀態(tài)字ETA為16#xx40;先發(fā)送命令字16#0006，使得變頻器的狀態(tài)變成準(zhǔn)備開啟，此時變頻器處于等待狀態(tài)，ETA為16#xx21;再發(fā)送命令字16#0007，使得變頻器的狀態(tài)變成開啟，此時變頻器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，ETA為16#xx23;最后發(fā)送命令字16#000F，使得變頻器的狀態(tài)變成操作勢能，此時變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)，ETA為16#xx27。至此，變頻器已經(jīng)給電機(jī)預(yù)先建立好了磁通，這個時候發(fā)送頻率，電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動起來。此外，還可以通過發(fā)送命令字16#0000來關(guān)閉變頻器所建立的磁通，使變頻器的狀態(tài)退回到鎖定狀態(tài)下，ETA也同時會變?yōu)?6#xx40。

4. 通信程序流程圖

根據(jù)狀態(tài)機(jī)，通信程序編寫擁有三大模塊：變頻器的初始化模塊，轉(zhuǎn)速發(fā)送模塊，變頻器關(guān)斷模塊。三大模塊均放在PLC里面的OB1主循環(huán)模塊中，整機(jī)運(yùn)行期間不斷循環(huán)判斷變頻器的三個狀態(tài)，起停由人機(jī)界面的開關(guān)進(jìn)行控制，具體程序流程圖如下：

圖三：程序流程圖

5 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點在于提出了通過Profibus總線將西門子S7-300系列PLC和ATV71系列變頻器連接通信的編程方法，該通信方案已經(jīng)成功應(yīng)用于紡織行業(yè)的粗紗機(jī)四電機(jī)控制系統(tǒng)，很好的滿足了粗紗工藝中對變頻器低頻特性的苛刻要求，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大的提高。

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作者簡介：

1.高勇（1982-），男（漢），安徽合肥，上海交通大學(xué)自動化系，碩士，研究方向：現(xiàn)場總線通信和智能控制以及多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制。

2. 宮亮， 男（漢），山東，上海交通大學(xué)自動化系，碩士，研究方向：工業(yè)智能系統(tǒng)控制

3.楊煜普，男（漢），陜西，上海交通大學(xué)自動化系，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與智能控制。