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案例頻道 摘要：通過Profibus-DP總線技術實現西門子S7-300系列PLC系統與現場智能設備之間的通信。該PLC控制系統總線連接設備有ABB ACS800變頻器，施耐德ATV71變頻器，智能MMC保護裝置。通過數據采集處理完成對電氣設備的實時數據監控和控制。
關鍵字：Profibus,變頻器，通信，驅動。
Abstract:The article introduced that Siemens S7-300 series PLC system communicated with the field intelligence devices by using the profibus-dp bussing technique.This PLC control system bus interfacing equipment had the ABB ACS800 inverter, Shinaide ATV71 inverter,the intelligent MMC protective device.Through data collection of electrical equipment for processing completion of real-time data monitoring and control.
Key words:Profibus,Inverter,Communications，Drive。
1 引言
Profibus是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的現場總線標準。Profibus是目前自動化控制系統中最成功的現場總線之一，得到了廣泛的應用。它是開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口協議進行網絡信息傳輸交換。Profibus-DP有較高的數據傳輸率，適用于控制系統和外部智能設備及遠程I/O設備之間的通信。Profibus-DP現場總線系統可網絡連接許多現場設備(如PLC、智能變送器、變頻器)在同一總線進行雙向多信息數字通信，因此可方便地使用不同廠家生產的控制測量系統相互連接成通信網絡。
中鋁山東分公司特種氧化鋁種子制備微粉控制系統采用西門子S7-300系列PLC系統利用Profibus-DP總線技術完成與其他三方設備之間的通信，實現對設備的控制及監控。通過ABB公司的RPBA-01 PROFIBUS-DP適配器模塊實現與ABB的ACS800變頻器通信，通過施耐德公司的VW3A3307型Profibus-DP通信卡實現與施耐德ATV71變頻器通信，通過Profibus-DP實現與尤耐特公司的UNT-MMI智能MCC控制保護管理裝置通信。通過Profibus總線組態及對變頻器和智能MMC綜合保護器的主要通信參數進行設置，實現了PLC系統和現場智能設備的通信。
2 系統配置
2.1 系統網絡配置通信結構
西門子PLC系統硬件組態軟件版本為Setp7 v5.4，工作站監控軟件版本為WinCC v6.0。該系統以西門子公司S7-300系列PLC系統和ABB公司ACS800變頻器、施耐德公司ATV71變頻器、尤耐特公司UNT-MMI智能MMC保護裝置利用Profibus-DP通信協議實現網絡通信過程及控制方法。西門子PLC控制系統CPU選型為6ES7 315-2AG10-0AB0,通過IM 153-1擴展部分模擬量和數字量I/O模塊，使用主-從通信原理，對Profibus總線設置波特率及主從站地址。硬件組態時對Profibus總線上所有驅動設備作為從站并對從站地址統一分配，現場驅動設備的波特率及工作地址等參數與Profibus總線組態地址相統一。工作站與PLC系統以太網模塊采用TCP/IP協議實現通信進行監控及操作控制。任何從站設備，如果想掛上Profibus-DP網絡，都必須提供一個GSD文件。這個GSD文件起到一個識別其身份、分配其功能的作用。ABB變頻器ACS800系列的GSD文件為ABB_0812.GSD,施耐德變頻器ATV71系列的GSD文件為Tele0956.GSD，尤耐特智能MMC控制保護管理裝置的GSD文件為MMIB.GSD。打開西門子SIMATIC Manager后建立一個SIMATIC 300 Station工程項目，進入Hardware管理器，在Options選項下找到Install GSD Files，瀏覽找到上面三個GSD文件進行安裝。GSD文件安裝完成后都可以在PROFIBUS DP樹型菜單下找到，顯示路徑分別為：Additional Field Devices\Drives\Tele\ATV71-Profibus-DP, Additional Field Devices\Drives\ABB Drives RPBA-01, Additional Field Devices\I/O\UNT\UNT-MMI-B。PLC系統的CPU配置為DP master作為主站，負責總線管理和從站的通信。變頻器驅動和尤耐特UNT-MMI-B驅動作為從站直接掛在PROFIBUS總線上，但ABB Drives RPBA-01驅動中應選擇PPO Type 4。在本系統中，S7-300 PLC作為主站，變頻器和智能MMC保護器作為從站，主站向變頻器傳送控制字命令，同時接受變頻器反饋的狀態字信號。變頻器控制字是現場總線系統控制傳動單元的基本方法，它由現場總線主機站發送給傳動單元，適配器模塊充當一個網關的作用，傳動單元根據控制字的位碼信息作出反應，并且通過狀態字將狀態信息反饋給主機。整個系統網絡通信配置圖(受圖形大小影響對該圖部分設備進行刪減)如圖1。
圖1 系統網絡通信配置圖
2.2 現場總線設備通信參數設置
尤耐特智能MMC控制保護裝置在通信選項里選擇設置為Profibus,參數設置比較簡單，具體通信參數可進入參數設置中對通信參數口的總線通信地址及波特率進行詳細設置。其它運行參數、保護參數、可編程輸入輸出參數等可根據需要進行參數定義。
要實現施耐德ATV71變頻器與Profibus-DP網絡的物理連接，Profibus-DP通信卡VW3A3307是必不可少的。對于該通信卡，僅需要設置Profibus-DP的從站地址，這8個Profibus-DP尋址開關的最低位在右邊，最高位在左邊。撥碼撥到下面為ON，撥到上面為OFF。改動地址后，要重新上電才能使用。如果用戶要通過Profibus-DP網絡實現對變頻器的啟動、停止和速度給定的控制，則需要對命令通道的相關參數進行設置。在變頻器的1.6命令菜單里，當變頻器插上通信卡后，給定通道的選項里會新增一項選項：通信卡，如果用戶需要通過Profibus-DP通訊給定速度，則將給定通道選擇為“通信卡”。當變頻器插上通信卡后，命令通道設置的選項里會增加一項“通信卡”。如果用戶需要通過Profibus-DP通信控制變頻器的起停，則需要將命令通道設置定義為“通信卡”。在變頻器的“1.9通信”菜單里，前兩個子菜單分別是COM.SCANNER INPUT和COM.SCANNER OUTPUT。通過對這兩個子菜單的設置，我們可以實現變頻器和PLC之間的數據交換。要注意：這里INPUT和OUTPUT是從PLC的角度去看的。對于變頻器，INPUT是它要發送給PLC的數據，OUTPUT是它接收的來自PLC的數據。COM.SCANNER INPUT這個菜單內含8組參數，從Scan.IN1 address到Scan.IN8 address。用來定義PLC要讀取變頻器的哪些參數的數據（讀）。對前三個輸入字定義好地址后分別讀取狀態字、頻率信號、電流信號。COM.SCANNER OUTPUT這個菜單內含8組參數，從Scan.Out1 address到Scan.Out8 address。用來定義PLC要修改變頻器的哪些參數的數據（寫）。對前兩個輸出字定義好地址就可以寫入命令控制字和頻率給定信號。
ACS800變頻器現場總線適配器模塊通信參數主要參數98.02用于現場總線的設置值定義為FIELDBUS，參數98.07用于現場總線的設置值定義為ABB DRIVES。適配器模塊能自動檢測所使用的通信速率和PPO類型，在參數組51中可以修改站節點地址、波特率、PZD3等參數設置，新設定值只有當傳動單元下次啟動之后才生效。傳動控制參數中控制命令源選擇參數10.02和11.06現場總線控制的設定值定義為COMM.MODULE，參數11.02定義為DI3(數字輸入，0=EXT1，1=EXT2)，該參數定義信號源，EXT1為當前控制地時，控制信號源由參數10.01和11.03定義為現場手動控制,EXT2為控制地時，控制信號源由參數10.02和11.06定義為PLC自動控制。系統控制輸入參數16.01和16.04定義為COMM.MODULE。ACS800變頻器標準應用程序支持四個數據集，每一方向上有兩個，即兩個用于發送，兩個用于接收，兩個數據集作為主給定數據集和輔助給定數據集用于控制傳動單元，傳動單元分別從參數90.04和參數90.05中讀取這兩個主、輔給定數據集，主給定數據集的內容是固定的，而輔助給定數據源的內容可以通過參數90.01，90.02，90.03進行選擇。
3 過程數據采集及控制原理
尤耐特智能MMC控制保護裝置根據硬件組態每個總線地址可以作為一個I/O模塊來進行過程數據采集。模擬量輸入信號(數據類型定義為INT)可以根據實際量程進行轉換后來進行監控顯示，過程數據模擬量輸入電流信號需要先進行單整轉雙整(塊指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點數(塊指令為DI_R)，然后用浮點數除比例數ctA(塊指令為DIV_R, MMC保護裝置選ct1時ctA=1000；ct2時ctA=100；ct3時ctA=10；ct4時ctA=10；ct5時ctA=10；ct6時ctA=1；ct7時ctA=1)將轉換數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的實時數據就是電機的實際電流信號數據。過程數據開關量輸入信號和輸出信號可以直接根據以組態數據地址按位地址進行過程數據讀取和寫入，方便進行邏輯控制處理和實時監控。建立一個子程序，根據電機過程數據信號建立相應的內部變量，這樣所有的具有相同信號類型的電機控制都可以調用同一個子程序來進行控制，調用子程序的時候只需要根據內部變量連接相應的外部設備變量就可以對每臺電機實現控制管理。電機控制原理子程序如圖2所示。
圖2 電機控制原理子程序圖
PLC主站組態添加變頻器GSD文件驅動后在硬件組態里每個通道都是只有16位數據，占一個字的存儲空間，數據類型基本定義為WORD型，模擬量輸入信號中電流反饋和頻率反饋數據類型可定義INT方便進行數據轉換處理。通過ACS800變頻器通信卡傳輸采集的過程數據狀態字(SW)進行數據轉換處理后才能得到實際數字開入量信號，利用16進制數與功能塊(WAND_W)來進行數據轉換處理，采集的狀態字(SW)與上W#16#0800后和整型數0進行比較得到的數據信號為遙控信號，采集的狀態字(SW)與上W#16#0004后和整型數0進行比較取反得到的數據信號為運行信號，采集的狀態字(SW)與W#16#0008后和整型數0進行比較取反得到的數據信號為故障信號。模擬量輸入信號電流(一般變頻器通信參數定義為PZD3區)和頻率(一般變頻器默認通信參數定義為ACT區)信號需要先進行單整轉雙整(快指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點數(塊指令為DI_R)，然后用浮點數除比例數(塊指令為DIV_R,一般ACS800變頻器頻率反饋信號比例數為100.0，電流反饋信號比例數為10.0)將數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的數據就是變頻器顯示的實際數據了，工作站就可以直接讀取DB塊中地址進行數據通信。頻率給定信號數據處理先是設定值乘比例數(塊指令為MUL_R,此處比例數為400.0)，然后對該浮點數進行取余運算(塊指令為ROUND)直接寫入到過程數據通信參數控制字區REF中。變頻器啟動/停止控制只需要根據開關量聯鎖條件傳送(塊指令MOVE)W#16#047F和W#16#047E到控制字區CW中就可以實現變頻器啟/停控制。
施耐德變頻器和ABB變頻器在Profibus總線通信里的狀態子和控制字都不一樣，也需要進行數據處理。通過施耐德變頻器通信卡傳輸采集的過程數據狀態字(SW默認定義為第一個輸入字)進行數據轉換處理后才能得到實際信號，和ABB變頻器一樣都要利用16進制數與功能塊(WAND_W)來進行數據轉換處理，由于過程數據里的狀態字有自己的二進制編碼，所以參與過程數據運算的16進制數就要相應改動，過程數據采集的狀態字(SW)與W#16#0200運算后和整型數512進行比較的到數據信號為遙控信號，采集的狀態字(SW)與W#16#0037運算后和整型數55進行比較得到的數據信號為運行信號，采集的狀態字(SW)與W#16#0008運算后和整型數8進行比較得到的數據信號為故障信號。模擬量輸入信號電流(一般定義為第三個輸入字)和頻率(一般定義為第二個輸入字)信號需要先進行單整轉雙整(快指令為I_DI)，再由雙整轉換成浮點數(塊指令為DI_R)，然后用浮點數除比例數(塊指令為DIV_R,一般ATV71變頻器頻率反饋信號比例數為30.0，電流反饋信號比例數為10.0)將數據存放在DB塊中，這樣DB塊里存放的數據就是變頻器顯示的實際數據了。頻率給定信號數據處理先是設定值乘比例數(塊指令為MUL_R,此處比例數為30.0)，然后對該浮點數進行取余運算(塊指令為ROUND)直接寫入到控制字區(第二個輸出字)中。變頻器啟動/停止控制只需要根據開關量聯鎖條件傳送(塊指令MOVE)W#16#000F和W#16#0006到控制字區（第一個輸出字）中就可以實現變頻器啟/停控制。
4 WinCC監控實現
4.1 工程設置及變量管理
打開Wincc項目管理器，建立新的工程，在WinCC項目管理器中計算機屬性里的啟動欄里一般選擇全局腳本運行系統、報警記錄運行系統、變量記錄運行系統、圖形運行系統，其他可根據需要進行選擇。在參數欄中對運行時語言選擇為中文(中國)，在圖形運行系統欄中組態啟始畫面，并在窗口屬性中選擇全屏顯示。在變量管理中添加新的驅動程序，選擇SIMATIC S7 Protocol Suite.chn驅動程序文件,驅動添加后選擇TCP/IP并建立新驅動程序的連接，并在系統參數的單元中選擇好邏輯設備名稱(即要通信的網卡名稱)。然后在新的驅動程序連接下分別建立變量組，如儀表信號主要分為壓力、流量、溫度、液位等信號，建立新變量并設置通信地址。電氣信號普通電機主要有遙控、運行、故障、啟停、電流信號。變頻器通信信號主要有遙控、運行、故障、啟停、電流、頻率反饋、頻率給定信號。為了能夠實現窗口精靈，必須規范電氣通信信號變量名稱結構統一，如普通電機可用設備號(M11)加”REM”/”RUN”/”ERR”/”PA”/”ON”/”OFF”實現,例如某電氣設備編號為M11,建立連接變量分別為M11REM(遙控信號),M11RUN(運行信號),M11ERR(故障信號),M11PA(電流信號),M11ON(啟動信號),M11OFF(停止信號)。變頻器電機根據信號類型也用同樣的方法實現。
4.2 控制窗口精靈
打開圖形編輯器，建立工藝流程圖主畫面(MAIN.PDL)，編輯組態工藝流程圖內容并連接工藝監控信號。 建立一普通電機MOP控制窗口精靈，實現對智能MMC保護裝置通信的數據進行監控顯示和控制，窗口中所有組態對象連接變量時只取設備號（如M11）后不同部分，刪掉變量前綴。同樣建立變頻器電機MUOP控制窗口精靈，對窗口中組態對象變量連接也只取設備號后不同部分，例如組態兩個”輸入輸出域”來顯示電流和頻率，在輸入輸出域中變量連接輸入”PA”和”PF”就可以，變量前綴通過動作腳本代碼實現。在工藝流程圖主窗口中添加一個畫面窗口，畫面窗口名稱定義為Picwindowm，然后修改畫面窗口屬性，對”可移動”、”調整大小”、”可以關閉”選項都修改默認值為”是”。在工藝流程主系統圖中對每個電氣設備添加一個控件(或者按鈕)，通過點擊操作可以彈出每個設備的控制窗口。例如電氣設備(M11)的控件名稱為”控件1”，則在”控件1”對象屬性中的事件里鼠標動作進行編輯，VBS動作代碼編輯如下：
按左鍵VBS腳本：
Dim pic
Set pic=HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“Picwindowm”)
pic.tagprefix=”M11”//設備號//
釋放左鍵VBS腳本：
Dim pic,sb
Set pic=HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“Picwindowm”)
Set sb= HMIRuntime.Screens(“MAIN”).ScreenItems(“控件1”)//控件號//
pic.left=sb.left+100
pic.top=sb.top+100
pic.ScreenName=”MOP”//控制窗口精靈名稱//
pic.captiontext=”M11”//設備號//
pic.visible=TRUE
pic.tagprefix=” ”
通過編輯鼠標動作代碼可以實現彈出的控制窗口對象自動連接設備號為M11的所有變量，然后進行數據狀態監控和啟/停控制，對于更多的其它設備只需要根據要操作的控件對象對VBS代碼里的控件號和設備號進行統一修改就可以了，變頻器電機除了對控件號和設備號進行修改還要根據組態對控制窗口精靈名稱進行修改。通過規范變量結構統一和對彈出控制窗口進行VBS腳本編輯，實現了多臺電氣設備可以調用同一控制窗口精靈，避免了建立大量的控制窗口和每個窗口中都要進行變量連接的重復煩瑣的勞動。
5 結束語
特種氧化鋁種子制備微粉控制系統采用Profibus總線技術和其它現場智能設備進行通信，節省了大量的I/O設備及電氣電纜，具有設備成本低，信號傳輸距離遠，抗干擾性性強等特點，經驗證是一個非常成功的控制系統方案。該PLC系統已經運行兩年多，系統性能穩定，滿足了工藝控制要求，創造了較好的經濟效益。
參考文獻
1 ABB公司 《ACS800-04P/07P泵和風機傳動應用程序固件手冊》，2006年
2 ABB公司 《PROFIBUS-DP適配器模塊RPBA-01用戶手冊》，2002年
3 施耐德變頻器公司 《ATV71和ATV61的Profibus-DP連接使用手冊》，2006年
4 施耐德電氣公司 《Altivar 71異步電機變頻器編程手冊》，2005年
5 尤耐特電氣公司 《UNT-MMI智能MMC控制保護管理裝置使用手冊》，2006年
作者簡介：
邱田迎(1978-),男,山東日照人，區域工程師,本科，現就職于山東齊韻有色冶金工程設計院有限公司，主要從事工業自動化控制工作。
林杰(1964-),男, 山東淄博人，主管工程師, 現就職于山東齊韻有色冶金工程設計院有限公司，主要從事工業自動化控制工作。
摘自《自動化博覽》2011年第五期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號