陳 良

（茂名市交通高級技工學校）

基于Profibus總線與PLC控制器及變頻器通訊技術的研究

陳 良

（茂名市交通高級技工學校）

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，在信息網(wǎng)絡方面對信息的傳遞和控制的要求也越來越高。Profibus總線技術是作為比較熱門和流行的一種工業(yè)技術被國際廣泛認可，在當前的工業(yè)技術領域中發(fā)揮著重要的作用，因此，學習與研究Profibus總線技術變得非常有必要性和有意義。本文將以西門子公司S7-300系列PLC控制器和施耐德公司ATV71系列變頻器以及四個電機組成的協(xié)調(diào)控制紡紗系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、工作原理、總線通訊部分、通訊程序的設計、系統(tǒng)的調(diào)試與維修等幾個方面展開，對Profibus總線通訊技術進行闡述。

Profibus總線；PLC控制器；變頻器；通訊

0 引言

隨著現(xiàn)在工業(yè)技術的發(fā)展，Prof i bus總線式這種新型的被國際認可的現(xiàn)場總線，其優(yōu)點在于可以給多個設備下定義，通過穿行總線技術可以實現(xiàn)多個設備的控制，因此被廣泛地應用在主站對多個從站的控制過程中。在數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡的搭建中發(fā)揮著安全高效的作用。Prof i bus總線是在ISO網(wǎng)絡和OSI網(wǎng)絡的基礎上進行開發(fā)的。目前的Prof i bus總線共有三個類型，分別是Prof i bus-DP、Prof i bus-PA以及Prof i bus-FMS三個類型。這三個類型都具有很好的兼容性，但是每個類型都有著自己獨特的特點，在不同的場合可以選用不同的類型。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本次的控制過程應用背景為紡紗機。主站的控制選用西門子公司的S7-300系列PLC。變頻器的選擇為施耐德公司的ATV71變頻器，系統(tǒng)的整體硬件構(gòu)成如圖1所示。

執(zhí)行部分采用的是4臺高性能的旋轉(zhuǎn)電機。紡紗機的正常工作需要4個電機按照一定的條件工作，但是人工的控制又過于繁瑣，所以需要設定好一定的工作曲線，通過PLC發(fā)出不同的信號，保障最后的紡紗質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖

1.1 可編程控制器PLC部分

對于紡紗而言，旋轉(zhuǎn)電機需要有指定的工作間歇和工作速度。在給PLC編程的過程中，需要把控制的電機參數(shù)轉(zhuǎn)化為一定形式的電信號過程。把寫好的程序?qū)懭氲絇LC中，在工作的過程中，PLC按照設定好的邏輯持續(xù)不斷地輸出電信號。

本次采用的可編程控制器PLC的型號為S7-300-315-DP。該PLC有兩個接口，分別是MPI接口和Prof i bus-DP接口。在設計的過程中，MPI接口留作人機界面使用，這里不做過多的贅述。Prof i bus-DP接口用與連接Prof i bus總線。根據(jù)Prof i bus總線的工作原理，一個Prof i bus總線可以掛接127個從站，根據(jù)需要只掛接4個從站，通過該總線可以實現(xiàn)PLC和變頻器的實時通訊。如果以后機械部分需要改進，也可以靈活地擴展，只需在總線上掛接新的從站即可。

1.2 變頻器部分

本次設計采用的變頻器為施耐德公司生產(chǎn)的ATV71變頻器。該變頻器是高性能磁通矢量變頻器，在低頻狀態(tài)工作性能良好。在紡紗機的電機控制方面非常適合。因為該變頻器內(nèi)置的接口為modbus總線，不能直接掛接到Prof i bus總線上，所以為了實現(xiàn)工程的設計，這里給每個從站安裝一個Prof i bus-DP通訊卡。這樣就可以通過Prof i bus總線來實現(xiàn)PLC和變頻器的實時通訊。

1.3 電機部分

紡紗機最終的產(chǎn)品質(zhì)量對于電機控制的要求是比較高的，僅僅用開環(huán)控制系統(tǒng)精確度是不夠的，所以在電機的尾端加裝旋轉(zhuǎn)編碼器，選裝編碼器可以及時地把電機的旋轉(zhuǎn)參數(shù)反饋給PLC控制器，這樣構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以讓系統(tǒng)更加精確。

2 總線通訊部分

根據(jù)Prof i bus總線的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊鬄橹鲝哪Ｊ?。即只有主站能夠?qū)恼緦崿F(xiàn)控制，各個從站之間不能實現(xiàn)相互的控制，這樣的好處是避免出現(xiàn)各個從站之間的數(shù)據(jù)干擾。當有一個部分出現(xiàn)故障的時候其他的部分不會出錯。在總線上掛接的從站和服務器的工作模式類似，主要是對主站的通訊信號進行執(zhí)行。根據(jù)原理，一條總線上可以有多個主站，但是主站中只能有一個對總線上的其他站進行寫操作。在總線使用之前，主站需要發(fā)出信號，對總線進行初始化操作，只有經(jīng)過初始化的總線才能使用。

2.1 通訊協(xié)議的格式

數(shù)據(jù)傳輸交換的時候需要有固定的格式，有統(tǒng)一的格式的數(shù)據(jù)才能不斷地擴展從站的數(shù)量。本次設計采用的是PPO幀格式，該格式是Prof i bus總線中的一個部分，它是由PWK和PZD兩個部分組成，這兩個部分分別控制不同的內(nèi)容。PWK負責非周期性信號，主要包括總線的配置和參數(shù)的設定以及故障診斷等部分的內(nèi)容。PZD為周期性的數(shù)據(jù)，周期性部分在實際的程序中指的是通訊的信號，包括對變頻器的各種指令。

2.2 變頻狀態(tài)機的形式

本次設計采用的變頻器為磁通矢量變頻器，在使用之前需要先建立磁通，然后才能對變頻器發(fā)送工作頻率。但是建立磁通的過程需要嚴格地按照預定的狀態(tài)機進行。

變頻器上電的初始階段狀態(tài)會轉(zhuǎn)變?yōu)榉鞘鼓軤顟B(tài)。此時的變頻器只能等待總線傳輸?shù)男盘?，并不能使用。狀態(tài)字ETA為16#xx40；先發(fā)送命令字16#0006，此時變頻器的狀態(tài)變成預備開啟，此時變頻器還是處于等待狀態(tài)，當ETA為16#xx21時；發(fā)送命令字16#0007，使得變頻器的狀態(tài)變成開啟，此時變頻器狀態(tài)處于預備狀態(tài)，當ETA為16#xx23時；最后發(fā)送命令字16#000F，使得變頻器的狀態(tài)變成操縱勢能，此時變頻器狀態(tài)處于運行狀態(tài)，ETA為16#xx27。通過上述的步驟，變頻器已經(jīng)和被控制電機預先建立好了磁通，這個時候發(fā)送頻率，電機就可以轉(zhuǎn)動起來。最后，發(fā)送命令字16#0000，封閉變頻器所建立的磁通，使變頻器的狀態(tài)退回到鎖定狀態(tài)下，ETA也同時會變?yōu)?6#xx40。這就是變頻器狀態(tài)機的工作狀態(tài)。

3 通訊程序的設計

通訊程序是軟件部分的核心，硬件部分搭建好以后主要是程序的編寫。本次設計的程序主要是三個方面，分別是總線和變頻器初始化程序、轉(zhuǎn)速信號控制程序以及變頻器緊急關閉程序等三個部分的內(nèi)容，通訊程序流程圖如圖2所示。

圖2 通訊程序流程圖

其中，三個部分的程序全部放到PLC的主循環(huán)中，整機運行過程中不間斷地循環(huán)，根據(jù)具體的運行狀態(tài)選擇不同的運行程序。當需要整機的起停時，通過人機界面進行操作。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與維修

系統(tǒng)主要分為三大部分：電機部分、變頻器和PLC控制器部分、總線及電氣設備部分。

4.1 電機部分

如果出現(xiàn)電機不轉(zhuǎn)動的故障現(xiàn)象，首先監(jiān)測有沒有繞組斷路，短路現(xiàn)象以及是否存在機械抱死現(xiàn)象。然后，用萬用表測量各個繞組的電阻值即可判斷是否存在斷路或者短路故障。當電機沒有問題的時候，用示波器檢測旋轉(zhuǎn)編碼器是否能夠正常，否則更換旋轉(zhuǎn)編碼器。

4.2 變頻器和PLC控制器部分

對于變頻器的檢測辦法是用正常的PLC直接連接變頻器，如果變頻器不存在問題，那么就檢測變頻器的硬件連接和弱電芯片是否正常。對PLC的程序進行反復的調(diào)試直到成功，在更換相關的設備和位置時，應檢查程序，必要時作為修改，以保持系統(tǒng)間的正常通訊。

4.3 總線及電氣設備部分

檢測總線有沒有故障情況，如果有問題應該及時地更換總線。如線路中有用到閘刀開關、漏電保護開關、交流接觸器、熱斷電器、電阻、電容等器件，當出現(xiàn)異常時，應立即斷電檢修直至恢復正常工作為止。

5 結(jié)束語

Prof i bus總線作為一個新型的現(xiàn)場總線具有非常重要的意義和應用價值，本次紡紗系統(tǒng)的設計成功地運用了一個主站通過總線控制四個從站，并成功地整合在一臺項目工作臺上，具有較強的運作性和應用性，其調(diào)試和維修也有一定的指導意義。

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2017-02-17）