浅析西门子变频器报文应用

沈盛阳，徐 凯，郭 星

(江苏扬力集团有限公司，江苏 扬州 225000)

在当前的冲压行业中，西门子S120变频器因其带有矢量控制和伺服控制功能的模块化传动系统，可用于实现复杂传动应用的单机和多机变频调速装置，并能执行智能闭环驱动，精确控制同步和异步电机而广受用户的青睐。目前针对于S120变频器主流的控制方式有两种，一种为通过可编程控制器PLC结合S120特有的TM31模拟量模块来控制变频器输出频率的变化，通过内部程序的运算来达到电机调速的目的；另外一种就是利用S120变频器强大的内部通讯报文与PLC通信，从而控制变频器的动作并读取相关实时数据，如电机当前的有功功率、电流、转速等，以达到监视变频器当前的运行状态，便于用户掌握设备的运行情况，保证生产的安全性和高效性。前者的控制方式无法读取变频器的各项参数且需额外购买TM31模块，既单一又增加了硬件成本，相比之下后者更适合当前冲压行业智能化控制的需求。

1 西门子S120变频器报文介绍

报文是指网络中交换与传输的数据单元，代表上位PLC和变频器之间通过通讯进行周期性数据交换。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短不一致，长度不限且可变。而对于西门子S120变频器，报文可分为预设报文和自由报文，预设的报文又可分为两大类：标准通讯报文和西门子自定义的制造商专用报文，标准通讯报文是基于PROFIdrive行规定义的，PROFIdrive行规是PROFIBUS和PROFINET网络上对驱动技术约定的标准，广泛应用在自动化领域。制造商专用报文为西门子设计的专有报文，这些报文是根据公司内部产品定义创建，用户可以通过选择这些制造商报文让S120内部的参数互联，根据设置的报文编号自动进行处理。除了以上的两种预设类型的报文，用户还可以设置自由报文，即报文的功能和含义由用户自行决定其功能，通常可以先选择一种预设的报文，随后修改S120变频器参数p922=999（自定义报文），预设报文的含义关联维持不变，这样会方便用户进行后续的修改。西门子S120变频器本身具有丰富的通讯功能，从PROFIBUS到PROFINET，从Web页面到OPC通讯，不仅种类丰富并且可以满足各种通讯的需求，但这些通讯都离不开基于报文的支持，可以说报文在通讯里有着举足轻重的地位。

本文中所应用的352-PZD6/6报文为西门子自定义的制造商专用报文，配合西门子S120变频器驱动高滑差电机广泛使用在冲压行业中，它具有6个通讯字（也叫6个PZD字）的数据交换能力，包括6个输入字和6个输出字，具体每个字代表的数据信息如表1所示。

表1 报文352-PZD6/6具体数据信息

2 应用实例

西门子公司推出的TIA Portal全集成自动化系统解决方案采用统一的平台，可以把可编程控制器、触摸屏的组态集中在一个开发平台上，给用户带来全新的设计体验。STARTER软件具有SINAMICS S120驱动装置的现场调试，能够实现在线监控、修改装置参数，故障检测和复位，以及跟踪记录等强大功能。本文通过TIA Portal V14和STARTER5.1软件平台将可编程控制器S7-1500和S120变频器进行了充分的结合运用，并在触摸屏中设计了实时监控画面，利用352-PZD6/6报文进行通信从而控制S120变频器驱动高转差电机并实时读取其参数，此实例中S7-1500选用 CPU1513-1PN，S120变频器选用控制单元CU310-2PN和功率单元PM340，触摸屏选用TP1200。

2.1 TIA Portal V14组态配置

在TIA Portal V14软件中组态包括以下内容，添加各种类型的PLC控制器和HMI，配置各种规模的站点以及网络拓扑图，在线配置与离线配置参数，变量定义以及标签制作。本文中共组态3个系统模块，分别由PLC模块CPU1513-1PN、变频器控制单元S120-CU310-2PN和触摸屏TP1200精致面板组成。首先根据实际应用要求手动分配各站点的IP地址，CPU1513-1PN装配有2个PROFINET端口，用于现场层面的通信。应用上需要注意同一系统的设备必须应用同一网段的IP，硬件接口和软件设置必须一致，也就是说在分配IP地址时，系统中的设备IP前3组数据要保持一致，最后一组可以理解为设备序号，不能重复，这样IP分配才能成功。本例中CPU1513-1PN的 IP地址设定为 192.168.0.1，CU310-2PN的IP地址设定为192.168.0.2，TP1200的 TP地址设定为192.168.0.3，如图1所示。

接下来分配设备名称，每个站点相应分配一个名称如图2所示（系统默认即可）。

图1 IP地址分配

图2 设备名称分配

图3 系统组态的网络视图

设备的名称需要在线分配，切换到“网络视图”，点击网络，选择“分配设备名称”，系统将自动搜索网络上所有的站点，选择需要的设备名称，再选择网络上的站点，最后点击“分配名称”按钮进行分配，至此通信建立完毕。图3为已连接好的网络视图。

2.2 STARTER5.1设置

在设置STARTER5.1之前，应特别注意优先完成以下的工作：①电源电缆按规定的扭矩正确地连接到了变频器功率单元组件端子上；②在调试前一定要先了解自己所买的储存卡的固件号，如存储卡固件为V4.8，那么请提前安装STARTER软件对应的4.8版本SSP包，并将存储卡正确插入CU310-2PN控制单元中；③配置的驱动系统中的所有必要组件都存在，并已安装和连接。完成以上工作后打开STARTER软件，具体设置步骤如下：

（1）在线创建项目，调用菜单“Project＞New with wizard”，点击“Find drive units online”，输入工程的名称和保存路径。

（2）自动搜索节点，点击状态栏“Accessible Nodes”在线搜索节点，选中所搜索到的节点右键“Edit Ethernet Node...”，设置 IP节点：192.168.0.2 子网：255.255.255.0，再点击：Assign IP Configuration（分配 IP）。然后点击：Assign name（分配设备名称）默认名称即可。特别注意：IP地址和设备名称一定要与TIA Portal组态中一致，否则无法建立通信。

（3）重新搜索节点，选中搜索到的项目点击“Aceept”，然后选中项目导航器中Drive unit_1，调用菜单“Project＞Connect to selected target device”，点击自动组态“Automatic configuration”，请选择Vector（矢量电机）配置相关参数，然后转成离线状态。

（4）配置参数，根据向导设置好需要的参数，具体设置见表2。

表2 STARTER软件具体设置参数

2.3 PLC程序编程

首先在TIA Portal建立标准的数据块DB35和DB36，该类型数据块里的变量为绝对地址访问并支持指针寻址。DB35数据块用于存储电机给定转速值，DB36数据块用于存储变频器的过程数据，具体内容如图4所示。

图4 DB36数据块

图5 FC14功能块

将程序编写在功能块FC内，可使程序简单明了，便于后续调用。建立CU310通讯功能块FC14，然后在OB1主程序中进行调用，如图5所示。该功能块左侧为输入值，右侧为输出值，各个管脚设置如下：左侧管脚“address”用于读取CU310-2PN的过程数据，本例中采用系统变量“西门子_352_PZD-6_6”报文；“ON_OFF1”用于控制电机的启停；“acknowledge”用于系统故障的复位；“direction_reversal”用于控制电机的正反转；“speed_setpoint”用于转速的给定，本例中采用DB35数据块中DB35.DBDO；“speed_P2000”、“current_P2002”和“torque_P2003”则分别采用STARTER软件中对应的P2000、P2002和P2003数值。右侧管脚“operation_enabled”用于输出变频器的状态位，“fault_active”用于输出变频器的故障位，“actual_speed”用于反馈电机的实际转速，“actual_current”用于反馈电机的实际电流，“actual_torque”用于反馈电机的实际转矩，“actual_alarm”用于反馈变频器当前的报警代码，“actual_fault”用于反馈变频器当前的故障代码，右侧的输出值一一对应于DB36数据块中的变量地址。

2.4 触摸屏画面设计

作为西门子变频器报文应用的一个重要环节，监控画面起着非常重要的作用，它实现了西门子变频器智能化控制的实时监控。本设计基于TIA Portal平台进行上位机监控软件开发，根据监控要求，监控画面对电机的实际转速、实际电流、实际转速、变频器报警和故障代码进行了实时采集，用户能够通过监控画面了解变频器的运行状态，并能根据实际需求修改电机的转速。系统的监控画面如图6所示。

图6 系统监控画面

3 结论

本文针对面前客户的需求，给出了一种变频器的控制方案，并编写相关控制程序，然后在相关设备上测试和应用，目前该设备运行稳定可靠，在不增加硬件成本的基础上，不但实现了变频器的基本控制，而且实时监控变频器的当前运行状态，使得操作者可以更直观的掌握设备的运行，为设备的保养及维修提供了数据支持。