基于PROFINET IO的S7-1200控制器与 G120变频器通讯

张芬， 蔚腾

(1.西安航空职业技术学院,自动化工程学院，陕西,西安 710089；2.航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，陕西,西安 710089)

0 引言

PLC、变频器、触摸屏是当前自动化设备经常用到的核心产品，通过该类产品可实现多样化的控制，如生产流水线、机械手、自动包装机控制等。实现上述多种自动化控制的前提是要实现各产品间的通讯，PLC与变频器间的通讯方式可以采用开关量信号控制、模拟量信号控制、RS485通信方法控制等，但此类控制具有无法实现精细的速度调节、系统的稳定性和可靠性差、编程工作量较大等缺点，使用PROFINET，可以将分布式I/O设备直接连到工业以太网，与PLC进行高速数据交换[1]。Profinet通讯速度快,安全可靠,特别适用于对控制系统实时性要求较高的3C行业[2]。该文介绍如何通过 PROFINET 总线实现西门子 S7-1200PLC与G120变频器间的通讯方法。

PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，是工业以太网应用在现场级的一种实施协议[3],可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术；它使用TCP/IP和IT标准[4],为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。S7-1200PLC控制器是西门子系列PLC的新产品，可满足各种自动化设备的控制要求,其CPU集成的以太网接口支持工业现场总线 Profinet协议，可实现与编程设备、人机界面等设备进行通信。西门子变频器G120具有强大的通讯功能，能和多个设备之间进行通讯，使用户可以方便的监控变频器的运行状态并修改参数，用户在使用G120时，可以通过PROFINET进行通讯，使得操作更加简单并减少了接口数量。

1 系统总体方案设计

所设计的系统采用西门子S7-1200PLC作为数据采集核心处理单元,实现从管理级到现场IO设备的以太网解决方案[5]。系统包含G120变频器和触摸屏，它们均有以太网接口，三者之间采用以太网通信，构成了一个小型局域网，其中采用了CSM1277作为小型交换机。S7-1200PLC是西门子公司的新一代小型PLC,具有集成的PROFINET接口，具有强大的集成功能，可以为各种小型设备提供简单的通信和有效的解决方案。G120变频器具有简洁的操作面板、良好的控制功能，其强大的控制功能使它在自动控制领域得到广泛应用。本系统上位机中采用西门子KTP700触摸屏做人机界面，该触摸屏集成有以太网接口，通过该接口可以简单方便地实现与S7-1200PLC的通讯功能[6]，实现对G120变频器下达命令及接受数据。下达的命令包括启动命令、停止命令、转速设定命令；接收数据包括变频器的转速、电流、电压、功率及温度信息。系统采用PROFINET网络结构，这是一种应用广泛的工业控制网络[7]。

KTP700触摸屏与S7-1200PLC之间用以太网通信，KTP700触摸屏将下达命令信息发送至S7-1200PLC,S7-1200PLC按照G120报文定义的地址，将信息传送至相应地址；同时S7-1200PLC将读取到的变频器信息发送至KTP700触摸屏，用于显示各类信息。S7-1200PLC与G120变频器之间用以太网通信，S7-1200PLC控制G120变频器的运行与停止。G120变频器的各类参数设置既可以通过智能型操作面板设置，也可以通过博图软件在线设置。系统硬件结构示意图见图1。

图1 硬件结构示意图

2 系统硬件组态

2.1 系统硬件配置

系统的控制单元为西门子新型控制器S7-1200PLC，其CPU型号为l2l4C DC/DC/DC，编程软件为博图V14，基于该平台，可以实现PLC逻辑控制、G120变频器调试及触摸屏上位组态功能[6]。变频器G120的控制单元为 CU250S-2PN，支持基于PROFINET的周期过程数据交换和变频器参数访问。触摸屏为西门子7寸显示屏KTP700，该屏为精简面板、按键操作，具有PROFINET接口。具体型号如表1所示，硬件组态界面如图2所示。

图2 系统硬件组态图

表1 设备型号一览表

设置电脑IP地址为192.168.0.127。按以下方法分配变频器 IP 地址：打开“在线并诊断”窗口，点击“分配 IP 地址”，输入为变频器分配的 IP 地址和子网掩码，本示例 IP 地址 192.168.0.3、子网掩码 255.255.255.0，单击“分配 IP 地址”按钮完成变频器 IP 地址的分配。同样的方法设置PLC的IP地址为192.168.0.1，HMI的IP地址为192.168.0.2。

2.2 PROFINET报文结构

PKW和PZD合称通讯报文，是一帧通讯报文里的2个不同数据区域。PKW为参数识别ID数据区，主要的功能是变频器参数的读写，通过PLC来写入一定代码，变频器响应读取代码后按代码修改变频器参数，PZD为过程数据区，变频器的启停、正反转、速度给定属于过程数据，PZD报文包括常用的控制字、状态字指令，只需在PLC程序中对参数对应的地址进行读写操作即可[8]。

报文1为16位转速控制，长度为2个字；报文2为32位转速控制，长度为3个字。本文设定报文为999，可自由定义报文长度及各字含义，报文结构如图3所示。

图3 报文结构及报文999含义

S7-1200PLC通过PROFINET PZD通讯方式将控制字1(STW1)和主设定值周期性的发送至变频器，变频器将状态字 1、实际转速、实际电流、实际电压、实际功率、实际温度等信息发送到 S7-1200PLC。

常用控制字为 047E(16 进制)表示停车、047F(16 进制)表示正转启动；速度设定值要经过标准化，变频器接收十进制有符号整数16 384(4000H 十六进制)对应于 100%的速度[9]，接收的最大速度为32 767(200%)。

2.3 G120 的报文配置

在G120变频器“调试”→ “调试向导”→ “设定值/指令源的默认值”中，选择I/O的默认配置为“[7] 现场总线”，选择报文配置为“[999]使用BICO的自由报文设计”，配置电机参数为：额定电流P305=1.4A,额定功率P307=0.55 kW,额定转速P311=1425rpm,额定电压P304=380 V,额定频率P310=50 Hz。

报文配置中，在报文一栏中选择自由报文，长度更改为6，使通讯伙伴数据区成为I256-267和Q256-267满足数据存放位置[10]。

在G120“参数”→“通讯”→“发送方向”中，将P2051.1--P2051.5设置为如图内容，用于读取变频器的转速实际值、电流实际值、输出电压、有功功率及电机温度。变频器参数配置如图4所示。

图4 变频器参数配置

3 系统软件设计

3.1 PLC程序设计

(1)PLC变量表

PLC变量表中都作为将转速设定值写入变频器的通信变量，与实际测量值连接HMI画面显示的通信变量，PLC变量表如表2所示。

表2 PLC变量表

(2)主程序设计

首次启动变频器需将控制字 1(STW1)16#047E 写入 QW256，使变频器运行准备就绪，然后将 16#047F 写入 QW256 ，启动变频器；将 16#047E 写入 QW256 停止变频器[11]；将主设定值写入 QW258，设定电机转速；读取 IW256 和 IW258 分别可以监视变频器状态字和电机实际转速。

主程序中编写电动机启动、停止、正转、反转命令，同时从变频器中读取状态字标定值、转速标定值、电流标定值、电压标定值、功率标定值、温度标定值，并转换为实际物理量输出，主程序设计如图5所示。

(3)功能程序设计

函数FC1作用是将一个实际的物理量(十进制实数)转化为标定值(十六进制数范围为0—4000的整数)，十六进制4000对应十进制数值为16384，转换公式“标定值=(给定值×16 384)/最大值”进行转换[12]，程序如图5所示。

FC2作用是将读取变频器发送的速度标定值转化为一个实际的物理量，显示在HMI画面中(图6)。

图6 函数FC2梯形图

3.2 人机界面设计及调试

在博图项目视图中，点击添加新设备，选择HMI,选择KTP700 Basic PN，添加新画面，在画面中添加 I/O 域、文本域、按钮、圆形等对象，在文本域中输入相应的文本、设置字号、颜色等，将相关对象分类排列整齐，完成后的G120 CU250S-2 PN 监控画面，初始HMI监测组态画面如图7所示。图7中可直观读出观察对象(电压、电流、温度、转速、功率)是否在正常范围内方便作出紧急指令。HMI数据显示组态画面如图8所示，画面上方部分为数据显示区、画面下方部分为故障修复手动操作区。

图7 总监测界面图

图8 数据显示界面图

3.3 系统调试

下载PLC程序、下载HMI程序，在人机界面中输入转速设定值，按下启动按钮，则变频器按照设定的转速运行，同时将电机的实时转速、实时电压、实时电流、实时功率传送至人机界面。例如，输入转速1 000 r/m，则读取到的转速为1 000 r/m，此时电机温度为30.9°C,电压为236.9 V，电流为0.79 A，功率为0.03 kW。

4 总结

使用TIA Portal V14软件对SIMATIC S7-1200PLC、G120变频器、SINAMICS触摸屏进行组态，利用PROFINET通信技术，实现了西门子 S7-1200PLC与G120变频器之间的通讯，采用PROFINET通信协议，信号稳定，通信速度快，抗外界干扰能力强，同时通信网络硬件连接简单，不需要额外配以通信模块[13]，该系统测试应用效果良好，可完整读取PROFINET总线数据无误码，实验证明此系统数据传输速度快，传输稳定可靠[5]，实现了一网到底的管控。该系统控制方式在工业控制中拥有广泛的应用前景。