基于Profinet通信协议的多电机运行监控系统设计

摘 要：随着工业互联网逐步渗透到工业制造各大领域，工业企业迫切需要通过工业互联网加快数字化步伐，以提高生产效率，节省设备运维成本，满足客户个性化需求。研究在工业互联网中通过Profinet通信协议将西门子S7-1200、HMI和G120变频器等设备联网组成异步电动机变频调速监控网络。研究内容包括控制系统硬件构成、变频器参数设置和PLC控制程序设计。该控制系统运行能完全融入工业互联网，且监控方便、成本低廉。

关键词：工业互联网；Profinet；S7-1200PLC；G120变频器；HMI

中图分类号：TP277.2" 文献标志码：B" 文章编号：1671-5276（2024）05-0239-03

Design of Multiple Motor Operation Monitoring System Based on Profinet Communication Protocol

Abstract：With the gradual penetration of the industrial Internet into all major fields of industrial manufacturing， industrial enterprises urgently need to speed up the pace of digitization through the industrial Internet in order to improve production efficiency， save equipment operation and maintenance costs， and meet the individual needs of customers. Studies the composition of a monitoring network for variable frequency speed regulation of asynchronous motors connected by Siemens S7-1200， HMI and G120 frequency converters by means of by Profinet communication protocol. The study includes the hardware structure of control system， the parameter setting of frequency converter and the design of PLC control program. The control system can be fully integrated into the industrial Internet， with the advantages of convenient monitoring and low cost.

Keywords：industrial internet；Profinet；S7-1200PLC；G120 frequency converter；HMI

0 引言

工业互联网（industrial internet）是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业形态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石［1］。

Profinet是一个开放式的工业以太网通信协议，主要由西门子公司和Profibus ＆ Profinet国际组织提出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。许多现场工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Profinet协议作为通信标准。本文研究通过此协议，利用S7-1200 PLC和G120变频器之间的Profinet通信，实现多台异步电动机的运行监控。

1 多电机监控网络的硬件构成

多电机监控网络的硬件主要包括：西门子S7-1200系列PLC、不同功率的G120变频器、西门子HMI精简面板、网络交换机、不同功率的三相交流异步电动机等。监控网络硬件接线示意图如图1所示。

2 G120系列变频器参数设置

G120系列变频器可满足各种功率的三相交流异步电动机的控制需求。不论选择何种控制方式，在进行具体的G120系列变频器参数设置之前，可先确认所选电动机的功率大小，然后对照G120变频器操作手册，选用与各个电动机功率配套的G120变频器型号，并将电机铭牌上相关电机参数对应输入G120变频器即完成基本调试。最后根据控制方式选择宏指令，并进行参数设置和修改。这里选择Profinet通信协议的控制方式，其参数设置如表1所示［2］。需要注意的是，同一个监控网络中，每个G120变频器的IP地址不能相同（出厂默认是相同的），但都必须和PLC以及HMI都在同一网段，可通过西门子博途软件平台实现各个G120变频器的IP地址修改。

3 PLC控制程序设计

3.1 控制系统在博途软件平台的硬件组态

通过西门子博途软件TIA Portal V16［3］完成监控系统中的S7-1200 PLC和G120C变频器的硬件组态，如图2所示。确保组态的硬件订货号、固件版本均与实际硬件完全一致，并为组态的硬件设备分配各自的设备名称和IP地址，所组态的每台硬件IP地址为同一网段中的不同地址，同时配置每台G120C变频器的标准报文。组态完成后，将所有硬件组态及配置下载至实际的S7-1200 PLC的CPU单元。

在完成上述S7-1200的硬件组态的下载后，因为实际硬件G120C变频器的Profinet设备名称和IP地址还未分配，故实际的S7-1200 PLC和G120C硬件还不能进行通信。必须使实际硬件G120C变频器和上述组态中的G120C所分配的Profinet设备名称和IP地址一致，才能确保S7-1200 PLC和G120C实际硬件之间Profinet通信成功。

3.2 通过标准报文控制电机的启停、换向和速度

S7-1200 PLC通过向G120C发送控制字等信息实现电机的启停、换向以及调速控制，并可从G120C读取状态信息［4］。现以其中一台变频器的控制为例，编写其PLC监控程序如图3所示。S7-1200 PLC通过Profinet PZD通信方式将控制字1（STW1）和主设定值（NSOLL_A）周期性地发送至变频器，变频器将状态字1（ZSW1）和实际转速（NIST_A）发送到S7-1200，数据流向如表2所示。其他G120C变频器的PLC控制程序与上述程序类似，在此不再赘述。

4 HMI组态画面设计

控制系统选用与S7-1200 PLC配套的SIMATIC HMI精简面板［5］，SIMATIC HMI精简系列面板满足了用户对高品质可视化和便捷操作的需求。用户可在HMI集中实现多台电机的远程控制，并准确获取各个电机的运行状态等信息。各电机的监控组态信息如图4所示。

5 结语

基于Profinet通信协议，PLC、HMI和多台变频器之间实现数据信息共享，多台异步电动机的变频调速监控稳定、可靠、方便、直观、交互性强，且易于融入工业互联网，克服了传统控制方式的不足。PLC和变频器之间进行通信，使得PLC可将控制信息发送给变频器，并从变频器接收电机运行的各种状态信息。这些控制信息和状态信息都在HMI上实时动态地显示出来。经现场调试证实，通过Profinet实现的多台电动机监控网络控制系统效率更高、成本更低、功能更强，既满足传统交流异步电动机控制的一切要求，又顺应工业数字化发展潮流，是制造业转型升级的必然趋势。

参考文献：

［1］ 程晓，文丹枫. 工业互联网：技术、实践与行业解决方案［M］. 北京：电子工业出版社，2020.

［2］ SIEMENS 变频器SINAMICS G120C操作说明［Z］. ［S.I.］： 西门子公司，2016.

［3］ SIEMENS SIMATIC S7-1200可编程控制器系统手册［Z］. ［S.I.］： 西门子公司，2022.

［4］ 向晓汉. 西门子SINAMICS G120 S120变频器技术与应用［M］. 北京：机械工业出版社，2020.

［5］ SIEMENS SIMATIC HMI 操作设备 第二代精简系列面板操作说明［Z］. ［S.I.］： 西门子公司，2016.