基于PROFIBUS-DP的西门子S7-1500 PLC与ACS5000变频器通信的应用

熊国健

（新余钢铁集团自动化部，江西 新余 338000）

0 引 言

在石油行业中，压裂泵送设备能向井内注入高压、大排量压裂液，并将地层压开关支撑剂挤入裂缝，用于开采页岩气。目前，市场上常使用的压裂泵送设备主要为柴油机驱动压力泵，但其调速和控制不灵活。因此，研究提出以变频驱动代替传统柴油机驱动，以实现对压裂泵的变频控制。

1 网络通信的原理分析

PROFIBUS是具有较强应用性的现场总线，能够满足工业数据存取的相关需求，也是目前国际标准IEC61158的重要构成[1]。PROFIBUS可提供PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP以及PROFIBUS-DA这3种协议类型，其中PROFIBUS-DP能精简7层通信标准模型中第一层和第二层的结构，一定程度上提高了网络的传输效率。PROFIBUS-DP主要应用于现场、分布式I/O设备以及PLC间的通信过程，采用RS485技术，使用光纤和屏蔽双绞线作为传输介质，传输效率9.6～12 Mb/s[2]。研究中，ACS5000变频器通过PLC与PROFIBUS-DP网络的接口相连，由PROFIBUS OPT-C3选件板实现数据传输，而西门子PLC可通过CPU的DP口实现数据传输，具体数据传输结构如图1所示。

图1 数据传输结构示意图

在主站PLC和变频器周期性通信过程中，选用PPO作为PROFIBUS-DP的数据传输格式。PPO是通信对象，在不同类型的PPO中有不同数据格式。PPO由参数区和过程数据区构成。过程数据区与参数区彼此独立，能用于处理不同任务。其中，参数区能用于设置或读取变频器参数，包括变频器的给定频率、变频器启停控制设置等[3]。PPO数据结构如图2所示。

图2 PPO数据结构图

图2中，不同的空格代表一个字符，参数区包括参数标识、参数索引以及参数值，过程数据区包括控制字状态字、给定值以及实际值。由于过程数据在该系统中存在较多的读取电量，因此PLC数据传输和变频器传输可以选择PPO5。由于过程数据可满足整个通信中指令的读写需求，因此参数区无需设置该功能，可以用0表示。过程数据区PZD中，主站给从站任务报文字的控制，各个字位含义如表1所示。

表1 各字位含义描述

2 适配器以及网关配置

在S7-1500变频器中采用光纤通信格式，但由于西门子S7-1500 PLC无法实现光纤通信，因此要想构建两者通信需要使用双方均能支持的协议。研究采用PROFIBUS-DP协议，该协议是一种低成本、高效率的通信协议，可用于分散式I/O设备与设备级控制系统间的有效通信。此外，研究中使用型号为NPBA-02 PROFIBUS的适配器[4]。

模块能用于PROFIBUS-DP系统与ACS1500变频器器的连接，实现外部总线模块通过PROFIBUSDP，进而控制速度、力矩以及给定信号，读取PLD调节器的信号、实际信号以及状态信号的实际值，改变传动参数和故障复位等多个功能。在周期性通信中，PROFIBUS-DP协议采用PPO报文格式该报文结构可分为参数标识和过程数据两个部分。图3为主、从站硬件组态图。

3 变频器与PLC的通信过程分析

从主站组态上来看，S7-1500 PLC为主站。在具体的组态过程中，需要打开step7软件在PLC中新建工程，右键后插入双击HARDWARE选项，自动进入HWCONFIG窗口，并点击图标打开相对应的硬件目录，按照硬件安装顺序和订货号依次插入电源、CPU通信模块以及输入和输出模块。进一步插入CPU模块后弹出PROFIBUS的组态界面，将其设为2地址定义。点击PROPERTIES后，将传输速率设为1.5 Mb/s[5]，行规设为DP。

从站组态分析，ACS5000变频器作为从站，通过变频器操作面板可以将其变频器控制设为总线控制方式，变频器地址设为5，选择PPO5作为通信数据结构。在step7中打开PLC工程进入HWCONFIG窗口，点击CATALOG图标后打开相对应的硬件目录，拖动PPO5使其到达PROFIBUS总线，设置从站地址为5，传输速率为1.5 Mb/s，与操作面板参数保持一致。

4 编写通信程序

首先，构建数据库。需要构建DB3和DB4数据块数据地址，需要与变频器从站中的数据区相对应，其中发送数据储存区为DB3，接收数据储存区为DB4。其次，过程数据区的读写。在step7中对过程数据读写过程中需要调取功能块，包括sfc14和sfc15。构建数据块后，需要在DB1中调用通信功能模块，实现对过程数据和参数区的读写[6]，其中sfc14用于读取变频器数据，scf15用于将数据写入变频器。最后，变频器的写入操作。为结合控制字和给定值的定义，使变频器正向启动，需要使其转速达到1 500 r/min，发送047fh到达CW控制字，发送2710h到达REF给定值，变频器正向启动程序如图4所示，读取变频器运行及储存于DB4的程序如图5所示。

图3 主、从站硬件组态图

图4 变频器正向启动程序图

图5 读取变频器运行及储存于DB4的程序图

5 结 论

研究基于PROFIBUS-DP技术实现变频控制系统，一定程度上改变了过去I/O配置方式，减少了使用电缆数量和接线工作量，显著提升了系统的可靠性，能实现对变频器的远程监控和故障诊断，使其具有灵活的系统组态和良好的拓展性。随着PROFIBUS-DP网络技术的发展，它将在控制领域获得更加广泛的应用。