PROFIBUS现场总线在S7PLC与西门子变频器通讯中的应用

Profibus现场总线在S7-PLC与西门子变频器通讯中的应用 摘  要：本文重点介绍南钢炼钢厂3#连铸机以Profibus 现场总线为基础的西门子SIMATIC S7 PLC和6SE70系列变频器间的通讯技术。 关键词：Profibus  PLC  变频器  通讯  西门子 连铸机 1 前言 随着现代生产工艺的快速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的要求越来越高。单台变频器的独立运行模式已经不能满足要求，多台成组系统运行成为最大特点。所有变频器的操作已经发展为计算机集中远程自动控制模式。这些特点都建立在计算机、PLC、传动装置间的数据通讯的基础上，以此来实现变频器运行状态的监控和控制命令的下达。 由于西门子PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；编程方便，功能完善，易于使用；控制系统、安装、调试方便；维修方便，维修工作量小；适应性强，应用灵活等特点，所以3#连铸机控制系统以西门子PLC 控制装置为核心。该系统由公用PLC、铸流PLC、振动PLC、液面自动控制PLC、切割PLC组成，各PLC系统均采用西门子公司的S7-300系列产品，各PLC的主要功能如下：  ①公用PLC： 主要完成大包回转台及包盖的旋转、升降控制；中间罐车行走、升降、横移对中控制；液压系统控制；出坯辊道、推钢机、冷床的控制。  ②铸流PLC：（一流～五流） 主要完成上、下拉机和矫机的控制；引锭杆及铸坯位置的跟踪控制。仪部分包括 结晶器冷却水流量和压力的监控、二次冷却水的流量调节、设备冷却水以及其他过程参数的设定、采集、监视及回路调节等。 ③振动PLC：结晶器非正弦振动的控制。                     ④液面自动控制PLC：塞棒控制。 ⑤切割PLC：主要完成对火焰切割机行走、切割枪的行走、定位控制。  所有PLC系统都有独立的IP地址，通过工业以太网相连。拉矫机系统选用的是基于Profibus 的西门子6SE70变频器构成的现场总线控制系统。每台变频器均带有进线电抗器、出线电抗器、制动单元和制动电阻。公共流PLC通过Profibus总线连接四台变频器（大包回转台、1#中包车、2#中包车、推钢机）；每一铸流PLC系统通过Profibus总线连接四台变频器（拉机上辊、拉机下辊、矫机、引锭杆）。其主体现有西门子变频器24台，如果采用I/O控制方式的话，必然会带来大量控制线路的连接，中间接点多，系统复杂，故障率高。采用了基于Profibus现场总线技术后，所有变频器的控制命令和运行状态都是通过一根Profibus现场总线来实现。减少了控制线路的连接，满足了设备的快速、连续的要求，减少了设备的故障率。 2 Profibus现场总线概述 Profibus是一种应用较为广泛的现场总线，其总线是国际标准IEC61158的重要组成部分；并且在2006年l1月成为我国现场总线标准。Profibus现场总线满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方面覆盖了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通讯功能。它是一种开放系统，令牌结构。从用户角度看Profibus提供了三种通信协议类型：Profibus-DP(Decentralized periphery)， Profibus-PA(Process automation)，Profibus-FMS(Fieldbus message specification)。其中DP是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯。该总线物理层采用RS485传送方式，传输介质用光缆或屏蔽双绞线，传输波特率从(9.6k~12M)bps，传输距离可以通过Repeter进行扩展，是一种功能强大的现场总线。本文介绍的PLC和变频器间的通讯也是基于Profibus-DP技术进行的。 现场总线作为连接控制系统中现场级装置和控制设备的双向数字通信网络，优点是明显的：增强了现场信息的集成能力；抗干扰能力增加、系统可靠性提高；安装便捷、可维护性好；具有开放性、互操作性、互换性、可集成性；降低了工程成本；具有IP67防护等级，可现场安装；能自动诊断故障部位。 我厂西门子6SE70变频器和PLC的Profibus通讯的硬件连接如下：在变频器CUVC板上安装CBP板。通过Profibus总线将各变频器和PLC连接，并在两端打开终端电阻。接口采用西门子的总线连接器。 3  Profibus-DP的数据通讯格式 Profibus-DP总线方式允许在PLC和传动装置之间进行快速的数据交换。对传动装置的存取总是按照主-从方式进行的，传动装置总是从站，且每个从站本身都有明确的地址。其中数据的报文头尾主要是来规定数据的功能码、传输长度、奇偶校验、发送应答等内容，主从站之间的数据读写核心的部分是参数区(简称PKW)和过程数据区(简称PZD)，Profibus周期性传输的报文结构如图1所示。 我厂3#连铸机PLC和变频器之间的通讯是：PLC CPU上的DP口和传动装置上的通讯模块CBP板通过Profibus总线电缆和总线连接器连接，采用RS485接口及支持1.5Mbps波特率数据传输。 图1  Profibus周期性传输的报文结构 PKW和PZD共有五种结构形式即:PPO1、PPO2、PPO3、PPO4、PPO5，其传输的字节长度及结构形式各不相同。在PLC和变频器通讯方式配置时要对PPO进行选择，每一种类型的结构形式见图2。 五种PPO分为两类：可用数据无参数区，有两个字或六个字的过程数据； 可用数据有参数区，有两个，六个或十个字的过程数据。 图2 参数数据过程PPO 参数区(PKW)分为：参数ID号(PKE)、变址数(IND)、参数值(PWE)三部分组成。过程数据区(PZD)：控制字(STW)、状态字(ZSW)、主给定(HSW )，主实际值(HIW) 等组成。 4 PLC硬件组态和软件编程 4.1  s7—300硬件组态 在3#连铸机控制系统中，基于Profibus的PLC与变频器之间数据传输是整个控制系统的关键。PLC的硬件组态和通信编程是使用step7 v5.4进行的，下面就以第一流铸流PLC和所控制的拉机上、下辊；矫机；引锭电机四台6SE70变频器为例，介绍采用西门子step 7编程软件进行基于Profibus的主-从通讯的组态过程和通讯程序的编写。 （1）基本网络配置： 一流铸流PLC Profibus主站组态 ① 在PLC项目NJGT下新建项目STANDARD1_PLC，点击右键，在弹出的菜单中选择“insert new object”下“simatic 300 station”，插入s7-300站。 ② 组态硬件：双击“hardware”选项，进入“hw config”窗口，点击“catalog”图标打开硬件目录，按硬件安装次序和订货号依次插入机架、电源、cpu、通讯模块、输入、输出模块。 ③ 插入cpu模块后会同时弹出Profibus组态界面，新建Profibus命名为dp_drives，地址定义为2，点击“properties”按钮组态网络属性，选择“network settings”进行网络参数设置，Profibus的传输速率为“1.5mbit/s”，行规为“dp”。 ④ 在plc的Profibus属性 operation mode 中将其选择为DP master。 变频器Profibus从站组态 ① 组态从站：在dp网上连接 6se70变频器，选择“vector control cuvc” 双击，6se70变频器连接到dp网络上，在弹出的Proifbus属性对话框中定义Profibus站地址。 ② 通讯区定义：plc与6SE70变频器之间需要传输设定值和控制字。选取ppo4，0pkw/6pzd。 ③ 数据区定义：ppo4，0pkw/6pzd地址分配见表1。 ④ 按照以上步骤，分别组态其它3台变频器到dp网络，Profibus站地址见表1。 下图（图3）为铸流PLC的Profibus通讯配置画面： 图3 Profibus配置画面 主站Master为CPU-315-2DP；从站Slave为6SE70传动装置，具体地址分配见下表： 电机 profibus地址 输入地址 输出地址 PPO类型 背景数据块 拉机上辊 4 304-315 304-315 PPO4 DB226 拉机下辊 5 316-327 316-327 PPO4 DB227 矫直机 6 328-339 328-339 PPO4 DB229 引锭杆 7 340-351 340-351 PPO4 DB228             表1    各变频器地址分配表 （2）通讯区定义：选择PPO4类型，具体地址分配见表1。 图4  6SE70变频器通信区定义 4.2建立通讯DB块 一般地，读写数据都做在一个DB块中，且最好与硬件组态设定的I／O地址范围大小划分相同大小的区域，便于建立对应关系和管理。在3#机的铸流PLC控制系统中，因为每个流PLC控制四台变频器，这四台变频器的控制功能是一样的。所以在PLC中编制了功能FB16，它的功能是实现PLC和变频器的数据交换；实现变频器启动、速度调节、合闸/分闸、故障复位、速度和电机电流转换等。四台变频器所对应的背景数据块见表1。下面以DB226（拉机上辊）做具体： 图5  DB数据块 DB226.DBX70.0—DB226.DBX71.7  ：变频器的数据送入PLC，变频器的状态字16Bit。 DB226.DBW72—DB226.DBW80    ：变频器的数据送入PLC。 DB226.DBX82.0—DB226.DBX83.7  ：PLC的数据送入变频器，变频器的控制字16Bit。 DB226.DBW84—DB226.DBW92    ：PLC的数据送入变频器,其中DB226.DBW84是速度设定值。 4.3通讯程序 ． 在PLC程序中用FB16的功能是实现PLC和变频器的数据交换及实现变频器的启动、速度调节、合闸/分闸、故障复位等功能。在实际某一具体变频器时，只需要调用FB16,把实参送入形参就可以了。下面具体描述一下FB16中PLC和变频器数据交换功能的实现。 通讯程序可以直接调用STEP 7编程软件的系统功能SFC14(dprd-dat调用dp读命令)和SFC15(dpwr-dat调用dp 写命令)来实现，程序如下： 5 变频器的通讯设置 在炼钢厂3#连铸机中我们采用siemens书本型vc 变频器作为dp从站，西门子6SE70全数字矢量控制变频器是属于simovert masterdriv系列，是目前比较先进的产品，其全数字化和强大的软件控制功能、监视功能、记录功能和保护功能，为其装置运行的稳定性、可靠性提供了保证。6SE70变频器也拥有强大的通讯能力，6SE70变频器具有支持各种现场总线的可选模板，这些接口模板的设置，显著地增强了变频器与其它控制设备间的互联能力。各种通讯模板中有支持Profibus总线的CBP板，Profibus-DP是当今世界上最为成功和流行的现场总线标准，在Profibus CBP功能模板上实现同级模块之间相互通讯，尤其在西门子产品系统集成中，更显示其优点。 3#连铸机PLC和变频器采用PPO4型。6SE70变频器使用过程数据区，实现控制字和设定值（任务：PLC发送给变频器）或状态字和实际值（响应：变频器发送给plc）的传输。只有当控制字、设定值和状态字实际值依照“过程数据连接”规定的路径连接时，该过程数据的传输才有效。6SE70变频器通信参数应用分为两个部分：6SE70变频器接受PLC的控制字和设定值以及由6SE70变频器返回给PLC的状态字和实际值两部分。 过程数据输出区（PLC发送给变频器）或pzd1～pzd6和6SE70变频器的变量k3001-k3006是一一对应的关系(参见变频器使用大全功能图120和180)，可以根据需要定义双字节数据，在本系统实际应用中，仅使用控制字k3001和给定值k3002两个字。k3001是一个字，可以看成B3100～B3115的16个开关量。以一流拉机上辊为例：DB226.DBX83.0～DB226.DBX83.7分别对应B3100～B3107；DB226.DBX82.0～DB226.DBX82.7分别对应B3108～B3115。k3002放的是变频器的速度给定值。 过程数据输入区（变频器发送给PLC）pzd1～pzd6和6ES0变频器的参数p734.1～p734.6是一一对应的关系。