西门子PLC的工程应用系列讲座第3讲 西门子PLC与施耐德电气变频器在复合机上的应用

浙江工商职业技术学院　李方园



西门子PLC的工程应用系列讲座
第3讲 西门子PLC与施耐德电气变频器在复合机上的应用

浙江工商职业技术学院李方园

摘要：PROFIBUS-DP是一种经过优化的通讯协议，有较高的数据传输率，适用于系统和外部设备之间的通信。本文主要阐述了西门子PLC与施耐德电气变频器在复合机上的应用。

关键词：西门子PLC；复合机；变频器；PROFIBUS

1　概述

PROFIBUS是目前工控系统中最成功的现场总线之一，在工业生产中得到了广泛应用，比如PLC与变频器的通讯就可以采用PROFIBUS-DP现场总线。PROFIBUS是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口协议进行信息的交换；它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。PROFIBUS-DP现场总线系统可使许多现场设备（如PLC、变频器、智能变送器等）在同一总线进行双向多信息数字通讯，因此可方便地使用不同厂家生产的控制系统相互连接成通讯网络。

2　复合机中变频器与PLC的配置

复合机是纸塑加工中的重要设备，所谓复合是指通过某种工艺方法，将两种或两种以上的材料层合在一起，形成新的一体材料，经过复合后的材料一方面保持原有材料的优点，另一方面还能弥补彼此的缺点。常见的复合方法主要有干式复合法、湿式复合法、热熔复合法、挤出复合法和无溶剂复合法。

干式复合机的原理如图1所示，薄膜或纸张的卷筒通过第一放卷机构的放卷架，进入上胶牵引辊，然后在复合控制箱中进行加热处理，再与另外一层材料（由第二放卷机构控制）进行复合，最后由收卷机构进行收卷。

图1　复合机简图

复合机的组成部分包括第一放卷机构、第二放卷机构、上胶电机（从动）、复合电机（主动）及收卷机构，其工艺要求主要是：速度平稳，一般能在10～150m/min的控制范围内平稳起停；张力均衡，通过控制第一放卷段张力、第二放卷段张力、烘箱段张力及收卷段张力，保证最终收卷张力在50～250N之间，以保证适应不同的复合基材；幅宽可调，在最小幅宽～最大幅宽之间根据复合材料的不同可自由调节。

在复合机控制中，放卷和收卷通常采用专用的磁粉离合控制，而上胶电机和复合电机则由变频器控制，即变频器1控制上胶、变频器2控制复合。图2所示为采用PROFIBUS总线控制的复合机控制系统。其中PLC采用西门子S7-315 DP CPU，而变频器则采用施耐德电气ATV-312，两者之间采用通讯卡进行连接，如图3所示。户完成PROFIBUS的简单组态，通常把包含特定设备性能参数的电子表格称为设备数据库文件，即GSD文件。基于GSD文件的组态工具允许将不同供应商的设备简单地集成到一个单一网络中。

图2　采用PROFIBUS总线控制的复合机控制系统

图3　通讯卡外观

PROFIBUS-DP 网的数据通讯速率可以从9600kbps到12Mbps。采用主从令牌方式通讯。使用中继器可以接入126个从站。每个中继器可接入32个从站，传输介质使用双绞屏蔽电缆，如图4所示。

设备数据库文件以精确的格式提供对设备特性的全面描述。这些GSD文件是供应商为每种类型设备而准备并提供给PROFIBUS用户的。GSD文件能使组态系统读入PROFIBUS设备的特性，并在组态系统时利用这个信息。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中，既简单又对用户友好。

GSD文件一般可以分为以下三个部分：

（1）一般规范。这部分包括生产厂商和设备的名称，硬件和软件的版本状况，支持的波特率以可能的监视时间间隔以及总线插头的信号分配；

（2）与DP主站有关的规范。这部分包括只运用于DP主站的各项参数（如连接从站的最多台数或上装和下装能力）。这一部分对从站没有规定；

（3）与DP从站有关的规范。这部分包括与从站有关的一切规范（如输入/输出通道的数量和类型、中断测试的规范以及输入/输出数据一致性的信息）。

在西门子S7系列的PLC组态中，需要将变频器DP网卡的GSD文件复制到STEP 7安装目录下的“STEP 7/S7DATA/GSD”路径下，然后执行“UPDATE CATALOG”操作，在“CATALOG”的“PROFIBUS-DP/Additional Field Devices/Geteway”路径中选择ATV-312 变频器，即可进行组态，如图5和图6所示。图7为ATV-312变频器的通讯参数设置。

图4　PROFIBUS-DP接线

3　在STEP7中配置ATV-31变频器

PROFIBUS设备具有不同的性能特点，如I/O信号的数量、诊断消息、总线传输速度和时间监视等，这些参数对每个设备类型和供应商来说都是不同的，而且通常汇编在技术手册内。为了帮助用

图5　配置ATV-312变频器GSD后的STEP 7环境一

图6　配置ATV-312变频器GSD后的STEP 7环境二

图7　ATV-312变频器的通讯参数设置

4　PPO通讯方式控制ATV-312

PROFIBUS-DP现场总线主站和从站的数据通讯遵循IEC 61158/DIN EN 50170/2标准。在复合机控制中，S7-300 PLC作为主站，ATV-312变频器作为从站时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈的运行状态及故障报警状态的信号。

通讯卡将从PROFIBUS-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向ATV-312变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。

变频器现场总线控制系统若从软件角度看，其核心内容是现场总线的通讯协议。PROFIBUS-DP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW（Parameter Code Value）是变频器运行时要定义的一些功能码，用于读写参数值。过程数据PZD （Process Date）是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，包括控制字、设定值、状态字和实际值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。

将网络数据这样分类定义的目的，是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。每一帧报文被称为PPO （Parameter Process Data Object）。PPO共有5种方式，如表1所示。

表1　PPO方式控制字

表1中，PKW 参数识别值；PZD 过程参数；PKE 参数标识；IND 变址；PWE 参数值；STW 控制字；ZSW 状态字；HSW 主设定值；JSW 主实际值。

如采用PPO3方式，由于只有2个PZD的字。因此当主站向从站发命令时，PZD1通常定义为控制字，PZD2定义为某个设定值。从站向主站返回状态时，PZD1是状态字，PZD2是某个实际值。当需要更多的返回值时，就必须使用PPO4或PPO5的方式。

ATV-312 变频器的控制逻辑如图8所示。

图8　ATV-312　变频器的控制逻辑

当变频器上电后，即进入“Disable”，其状态字（EAT）为XX40H，对其发命令0006H，则进入“Shutdown”状态，其状态字为XX21H；再发命令0007H，则进入“Ready”状态，其状态字为XX23H；这时，发命令000FH，变频器使电机正转，发命令080FH，变频器使电机反转，状态字都是XX27H。

当电机运行后，有3种方式使电机停止运行，其中快停，进入“Shutdown”状态和进入“Disable”状态。发命令000BH后，使电机进入快停状态，状态字是XX07H。

5　结语

综上所述，当接好线路和PLC组态完毕后，在复合机中ATV-312变频器和S7-300PLC的通讯，实际上是一个按照所定义的PPO通讯方式，利用程序发送控制字和设定值，接收状态字和实际值的一个过程。

参考文献：

[1] 周柏青, 李方园. PLC控制系统设计与应用[M]. 北京: 中国电力出版社. 2015.

[2] 李方园, 杨帆.西门子S7 PLC应用简明教程[M]. 北京: 机械工业出版社. 2013.

[3] 李方园. 图解西门子S7-1200 PLC入门到实践[M]. 北京: 机械工业出版社. 2011.

作者简介

李方园（1973-），男，浙江舟山人，高级工程师，毕业于浙江工业大学信息学院工程硕士专业，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作，现就职于浙江工商职业技术学院。

Application of Siemens PLC and Schneider Electric Inverter in the Compound Machine

Abstract:The profibus-DP is an optimized communication protocol with a higher data transfer rate, which is suitable to apply in the communication between the system and the external device. This paper describes the application of Siemens PLC and Schneider Electric inverter in the compound machine.

Key words:Siemens PLC; Compound machine; AC inverter; PROFIBUS