秦忠凯，王伟，刘宝友
（山东凯斯达机械制造有限公司，山东 济宁 272000）
在生产线上有很多的电动机需要长期或者间歇运行，有的需要变频控制，有的为了更加精细地控制产品指标和生产参数，采用多元化的控制方式，包括直接启动、软启动、正反转启动、降压启动、变频器控制等。变频器控制在自动控制中有着举足轻重的作用，包括启停控制、运行、故障、电流、频率给定、频率切换等方式，电机扭矩等大量的电信号需要与PLC进行数据交换，采用一对一硬接线的方式可以实现控制目的，但需要很多的接线进入PLC模块，这会影响系统的性能，工作量很大，容易出错，且成本高。采用多总线的PLC与变频器通信的方式来控制电机，可以实现更好的控制效果[1]。
本文采用由1台西门子1516-3PN／DP CPU、2台施耐德变频器ATV320、2台施耐德变频器ATV610、2台施耐德变频器ATV930以及上位机组成的控制系统，实现基于多总线的PLC与不同类型变频器的通信控制[2]。
鉴于所选CPU1516-3PN／DP及ATV320、ATV610、ATV930的集成特点和接口类型，本文采用PROFIBUS-DP（以下简称 DP）和 MODBUS-TCP（以下简称TCP）两条总线同时进行通信。CPU集成1个DP接口和2个以太网接口（X1和X2），分别引出DP总线和TCP总线。ATV320和ATV610需要加装DP通信卡，采用DP方式通信，物理连接选用专用DP电缆和DP接头。ATV930集成TCP通信卡和以太网接口，采用TCP方式通信，选用屏蔽网线和水晶头进行物理连接。另外还配置了一台8口交换机。上位机采用工控机，带有以太网接口和WIN10操作系统，安装有博途V16版本的编程软件和WINCC 7．5 SP2版本的上位机软件。最终可实现变频器的启停控制、运行显示、故障报警、频率给定、电流显示等功能。
系统硬件连接网络结构图如图1所示。系统包括两条通信总线，即DP和TCP总线。DP通信是采用DP电缆和DP通信接头连接所有设备。TCP通信是采用屏蔽网线和水晶头连接所有设备。CPU、电脑、变频器每一路都是单独连接至交换机。另外，CPU与其他IO站的通信是采用PROFINET通信[3]。
图1 系统硬件连接网络结构图
在DP接头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。每个物理网段两个终端站点上的接头，需要将DP电缆连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”。位于网段中间的站点，需要依次将DP电缆连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。两个终端站点的进线口“In”、中间站点的进线口“In”、中间站点互相之间的进线口“In”和出线口“Out”连接时，“A”端子连接“A”端子，“B”端子连接“B”端子。
DP电缆在插头内接线时，须将屏蔽层剥开，压接在插头内的金属部分，该金属部分与Sub-D插头外部的金属部分相连，当将插头插于CPU或者变频器等设备的DP接口上时，则通过设备连接到了安装底板，而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的，这就实现了屏蔽层的接地。
网线与水晶头连接采用平行（直通）线做法，两头同时采用568B标准，以白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕等颜色线从左到右依次排列。
电脑需要安装博途V16版本的编程软件以及WINCC V7．5 SP2版本的上位机软件；
还需要下载施耐德ATV320和ATV610变频器的通信手册，以方便查找需要通信的数据地址；
同时，也需要下载ATV320和ATV610的GSD文件，以服务于DP通信硬件组态。DP通信的变频器地址为L01：3，L02：4，L03：5，L04：6。与TCP 通信的变频器地址为L05：192．168．1．11，L06：192．168．1．12。CPU 1516-3PN／DP的DP地址设置为2。X1口的IP地址设置为192．168．0．1。X2 口的 IP 地址设置为192．168．1．1。其中192．168．0．1 网段应用于与其他IO 站的 PROOFINET通信，192．168．1．1 网段应用于与变频器进行 TCP 通信。电脑的 IP 地址分别设置为 192．168．1．50 和192．168．1．51，子网掩码都设置为 255．255．255．0。
4．1 硬件组态、编程及变频器设置[4]
DP通信需要进行变频器硬件组态、GSD文件设置、编程等工作，变频器本体不需要设置。首先添加CPU，应找到对应的型号CPU 1516-3 PN／DP，再添加ET-200SP分站的模块，对应地添加数字量和模拟量模块，应与硬件的顺序保持一致。DP通信硬件组态图如图2所示。分别导入ATV320和ATV610的GSD文件，在硬件设备中找到ATV320和ATV6xxx，分别添加到硬件组态中。GSD文件设置图如图3所示。GSD文件中地址的意义如下：8501代表命令字，可以向变频器发出控制命令，例如启动、停止等；
8502代表频率给定字，可以向变频器给定运行频率；
3201代表设备的状态，可以读取到设备的运行、过载、热状态等；
3202代表输出频率，可给定变频器的频率，并最终输出频率值；
3204代表变频器的运行电流，变频器带电运行后可显示设备的运行电流；
3205代表设备的电机转矩，可以实时读出电机的力矩大小百分比。DP通信编程图如图4所示。分别调用不同的数据块，整数转实数、实数转整数，对采样电流和输出频率信号进行数据处理并转换成实数，对上位机给定的频率进行实数转整数处理并给定到变频器。
图2 DP通信硬件组态图
图3 GSD文件设置图
图4 DP通信编程图
TCP通信不需要进行变频器硬件组态，只需要进行通信数据的设置和编程及变频器的设置等工作。TCP通信配置图如图5所示。TCP通信编程图如图6所示。
图5 TCP通信配置图
图6 TCP通信编程图
ATV930变频器设置步骤如下：通信（COM）-＞Modbus现场总线（Md1）-＞Modbus地址（Add），设置为“1”，所有变频器都设置为 1；
通信（COM）-＞嵌入式以太网配置（EtE）-＞IP模式内嵌以太网（IP ModeEther．Embd），设置为“固定”；
通信（COM）-＞嵌入式以太网配置（EtE）-＞IP地址，分别设置为192．168．1．11 和 192．168．1．12；
通信（COM）-＞嵌入式以太网配置（EtE）-＞子网掩码，设置为 255．255．255．0，所有变频器都设置为255．255．255．0。
4．2 上位机界面操作
在WINCC上可以操作设备，可以进行启动、停止、频率给定等操作，也可以查看泵状态，例如运行、过载、故障、综合故障、运行频率、电流信号等，还可以进行其他一些重要参数的安全控制等，例如紧急停止、释放现场操作权限等。
4．3 程序下载和界面激活[6]
在程序编译和下载后，可在上位机上给定频率、启动设备、监控程序并查看设备的运行情况等，可以读取变频器的运行频率和电流以及变频器的运行状态等，可通知设备或恢复待机状态。在维修状态下，点击紧急停止按钮，可以保证安全操作。点击现场操作按钮，按钮站可以直接操控设备的运转。
本文实现了西门子S7-1500 PLC与施耐德变频器ATV320和ATV610的PROFIBUS-DP通信以及与ATV930变频器的MODBUS-TCP通信。本文采用多总线方式与不同类型的变频器之间进行通信，丰富了自动化生产线上自动控制的设计方案，提高了变频器的扩展控制能力，简化了变频器控制的传统接线方式，也大大提高了数据的提取和控制能力。实践应用表明，系统运行稳定可靠，可为大型工业控制设计提供技术参考。
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