S7- 1200 对G120 多段速控制的两种解决方案

路东兴

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州730207）

SIMATIC S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC PLC 是西门子公司新一代的S7-1200PLC 中性价比最高的一款，在实际工控行业种使用广泛。其CPU 模块集成了一路工业以太网PROFINET 接口，同时具有多种工艺功能，能够实现运动控制等控制功能。它的设计组成紧凑小巧，硬件组态方便灵活。可以扩展信号板、3 个通信模块、8 个信号模块。

SINAMICS G120 CU250S-2 PN 变频器也是一款西门子主流的模块化变频器，G120 不仅具有优越的控制性能，还具有强大的通信功能，方便用户通过驱动软件监控和修改变频器参数。为用户节约成本，提高了工作效率。G120 主要包括两个部分：控制单元（CU）和功率模块（PM）。G120 变频器共有6 个数字量输入端子，有5 号、6 号、7 号、8 号、16 号、17 号端子，分别对应DI0、DI1、DI2、DI3、DI4、DI5 通道。G120 调试一般可通过自身扩展的IOP 和BOP 面板，也能TIA Portal（包含SINAMICS StartDrive）、Starter、SIMATIC STEP7（包含Technology）三种软件形式进行参数调试来实现多段速控制，TIA Portal 是西门子全集成自动化的一个软件平台，它集成了SIMATIC STEP 7、S7-PLCSIM、SIMATIC WinCC 和SINAMICS Startdrive 等不同功能的软件，将各种工程软件整合一体，实现将PLC 控制器，PC系统、HMI、驱动系统、通信系统、仿真系统融合为统一的组态开发平台，功能强大、使用简洁。本文借助TIA Portal V15 软件平台实现电动机多段速控制，并以具体实际案例的分析运行，提出两种方案对S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC PLC 控制G120 CU250S-2 PN 变频器，实现三相异步电动机的多段速运行控制。

1 提出问题

实际案例：某自动化生产线由于产品加工流程需求，需要运输皮带在加工周期内完成不同速度的运行。运输带由三相异步电动机带动。希望PLC 控制变频器驱动电动机实现循环周期内多段速无极调速控制。PLC 选用S7-1200 CPU1214C（DC/DC/DC），变频器选用G120。

电机具体运行要求如下。

设计多段速电动机控制系统：通过启动按钮SB1 启动系统，0s 到10s 电机以30Hz 频率正向运行，10s 到30s 电机以以50Hz 频率正向运行，30s 到40s 电机以以20Hz 频率正向运行，42s 到58s 电机以以50Hz 频率反向运行，60s 为一个周期，系统重复循环运行。任意时刻按下停止按钮SB2，电机系统停止。电动机上坡下坡时间均为1s。

图1 变频器输出频率曲线图

2 分析问题

2.1 SINAMICS G120 控制单元（CU）

本文G120 采用控制单元CU250S-2 PN，图2 为端子排接线图。

图2 端子排接线方式

SINAMICS G120 出厂时预定义了多种接口宏，每一种预定义的接口宏都对应相应的输入接线，同时也对应相应的参数设置和修改。用户只需查看G120 调试手册，选择所需接口宏，进行相应的接线和参数设置即可最终实现接口宏编号对应的控制结果。

具体根据控制要求选用宏功能，如果预定义宏的接口方式完全符合要求,那么按照该宏的接线方式设计原理图,并在调试时选择相应的宏功能即可方便的实现控制要求。如果所有宏定义的接口方式都不能完全符合要求, 那么选择与布线比较相近的接口宏, 然后根据需要来调整输入输出的配置通过参数P0015 修改宏。修改P0015 参数步骤: 设置P0010=1；修改P0015；设置P0010=0。注意:只有在设置P0010=1 时才能更改P0015 参数。本案例中需要不同频率对应的四种转速，选择预定义宏3 编号，实现单方向四个固定转速。频率50Hz 对应电动机额定转速1500rpm。那么可以得到以下频率和转速关系式。

2.2 SINAMICS G120 PROFINET 通讯功能①

图3 硬件接线图

图4 宏指令3 接线图

表1 参数设置

SINAMICS G120 的控制单元CU250S-2 PN 的PROFINET功能可以实现的周期过程中的数据交换和实时访问采集变频器参数。

周期过程数据交换功能：PLC 控制器将控制字和不同的给定值等周期性过程数据发送到变频器，而变频器会将状态字和实际转速等周期性过程数据反馈回PLC 控制器种。

访问采集变频器参数功能：本文S7-1200PLC 访问变频器参数的接口，与G120 CU250S-2 PN 的PROFINET PZD 通信，PLC 控制器以组态标准报文1 读写变频器参数，通道固定长度2 个字，第一个为控制字，第二个字为给定速度值。

3 解决问题

3.1 变频器数字量输入接口中预定义接口宏控制

（1）硬件接线及参数设定。

因为案例要求四种速度，故采用宏指令3。根据宏3 的要求，DI0 作为电机的启动信号必须要一直接通。同时转速通过数字量输入控制。DI0 对应的固定转速1，DI1 对应的固定转速，DI4 对应的固定转速3，DI5 对应的固定转速4。如果多个DI 同时接通的情况要将DI 对应的多个固定转速相加。固定转速1、2、3、4 分别通过P1001、P1002、P1003 来、P1004 来进行参数设置。注意DI0 的使用，同时作为起动信号和固定转速1,任意时刻DI0 需有信号。

设置参数可以通过TIA PORTAL 软件平台通过在线访问G120 的参数视图进行修改。

（2）程序段。

图5

3.2 PROFINET 通信控制方案

图6 PROFINET 网络连接

（1）硬件组态及报文设定。

表2 硬件列表

表3 软件列表

①创建项目。打开TIA PORTAL 项目视图，点击“添加新设备”，设备树中选择S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC ->6ES 67214-1AG40-0XB0。

②接着添加G120 点击“设备和网络”，将硬件目录中“其它现场设备 -> PROFINET IO -> Drives -> Siemens AG->SINAMICS -> SINAMICS G120 CU250S-2 PN Vector V4.6”模块拖拽到网络视图空白处；点击“未分配”，选择主站“PLC_1.PROFINET 接口_1”，完成与PLC 的网络连接。

③选择G120，点击“以太网地址”；分配IP 地址；保证G120 实际名称与硬件组态中分配名称一致。

表4 标准报文1

图7

④完成上面的操作后，硬件组态中S7-1200 和G120 的IP地址和Device Name 就已经设置完成。现在组态G120 的报文，在线访问G120，选择“参数”进入参数视图页面；设置P15=7，为“现场总线控制”；报文选择“标准报文1，PZD2/2”。本文中分配的输入地址IW100、IW102，输出地址QW100、QW102。

⑤S7-1200 PLC 采用PROFINET 通讯方式将控制字QW100 和主设定值QW02 周期性的发送至变频器，变频器将状态字IW100 和实际转速IW102 发送到PLC。启动变频器并正转电机需将16#047F 写入QW100。停止变频器将16#047E 写入QW100。反转将16#0C7F 写入QW100。速度设定值要经过标准化计算，变频器接收十进制有符号整数16384（4000H 十六进制）对应于100%的速度。

根据之前电动机频率与转速的关系式，得到主设定值（NSOLL_A）与频率的关系式，将16#设定速度值写入QW102。

（2）程序段。（图7）

注释

①SIEMENS、S7-1200 与G120 CU250S-2 PN 的PROFINET 通讯第一部分 控制变频器的起停和调速、https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109477456、2015 年6 月15 日。