摘 要：介紹了S7-300系列PLC和施耐德ATV71系列變頻器組成的四電機協調控制系統，該系統在四電機粗紗機控制系統得到成功應用。文章說明了系統的硬件結構和工作原理，重點介紹了基于Profibus的控制系統中PLC和變頻器的通信編程方法。

關鍵詞：Profibus, PLC, 變頻器，通信技術

1.引言

可編程控制器（PLC）和交流變頻器被廣泛應用于工業控制領域。為滿足控制系統中多變頻器協調工作的控制要求，市場上流行的變頻器通常都具有網絡通信功能，并將其通信協議開放給用戶，以利于用戶的良好使用。在眾多的控制系統中，采用的總線多種多樣，其中，Profibus以其獨特的技術特點、開放的標準、穩定的傳輸性能得到了廣泛的應用。

在基于Profibus總線通信的控制系統中PLC作為控制系統中的主站，負責總線管理和從站的通信。變頻器作為執行機構，在系統中處于從站地位。PLC的強大的邏輯處理能力和通信能力能夠通過Profibus得到充分發揮。本文介紹的控制系統采用的是西門子公司S7-300系列PLC（315-2DP）和施耐德公司的ATV71系變頻器，并將其應用在紡織行業中的四電機粗紗機控制系統。

2.系統硬件結構

系統硬件結構圖如圖一所示，控制系統中的四個電機分別由相應的變頻器進行控制，四電機速度控制要嚴格按照粗紗工藝要求，PLC在不同階段按照工藝曲線計算速度變化，從而保證良好的產品質量。

PLC在控制系統中作為主站，在整機紡紗過程的不同階段，PLC根據程序計算出各個電機的速度，按照Profibus通信協議，將速度命令信號發送給變頻器。變頻器獲得命令信號后執行動作并反饋運行狀態和故障報警信號給PLC.

S7-300 315-2DP有兩種通信接口：MPI接口和Profibus-DP接口。本控制系統中MPI接口用于連接Proface人機界面。便于操作工進行整機操作。Profibus-DP接口引出Profibus總線，ATV71變頻器則通過該總線和PLC進行實時數據通信。Profibus總線最多可以設置127個從站，也給系統結構的擴展增加了靈活性。

施耐德公司的ATV71變頻器是高性能磁通矢量控制變頻器，擁有良好的低頻特性，可以很好的滿足粗紗工藝對低頻區的要求。但其內置的總線接口是Modbus總線，只符合Modbus總線協議標準，所以不能直接連接到Profibus總線，故需要為每個變頻器選配一塊PROFIBUS-DP的通訊卡來支持和西門子PLC的通訊。

圖一：四電機粗紗機控制系統硬件結構

3.總線通信幀格式和狀態機

根據PROFIBUS-DP協議的規定，數據的交換要按照主從模式的原則來進行，只有主站才能對總線通訊做初始化工作。而從站的工作模式就和服務器工作的模型一樣，應答從站發送過來的請求信號。同一根總線上可以有多個主站，它們都可以讀取從站的I/O信號，不過只有一個主站可以對從站實施寫操作。

3.1 通信協議幀格式

數據交換的時候需要有固定的幀格式，該幀格式在PROFIBUS-DP總線協議中稱為PPO（Parameter-Process Data-Object）;PPO又由PKW和PZD兩部分組成。PKW是用來讀寫非周期性數據，包括參數設定、配置和診斷;PZD是用來讀寫周期性的數據，即讀寫I/O信號。在PROFIBUS-DP總線協議中，有五類PPO，各類PKW和PZD所要求的字數都不一樣。

ATV71的Profibus通信卡所要求的輸出輸入數據幀格式采用PPO5，如下表：

表一：輸出數據幀格式

表二：輸出數據幀格式

PKW部分：PKE代表的是所要求修改參數的邏輯地址，該地址可以通過變頻器內部通訊變量表查詢獲得;R/W/N代表讀/寫請求或者是錯誤信息，分別用ASCII碼表示;PWE為所修改的參數的值。

PZD部分：CMDD表示命令字，即表示對變頻器發送指令，要求其完成指定的功能;LFRD表示所需要對變頻器發送的參考轉速（RPM）;CMI表示內部命令寄存器，主要是對命令做一些補充。ETAD表示狀態字，反映了變頻器當前所處在何種狀態;RFRD表示當前電動機的實際轉速（RPM）;本控制系統最為關注的是PZD2的數值，PLC需要變頻器反饋電機的實際轉速，然后通過程序進行速度校正。其它參數設計到電機的電流、電壓等一些其它狀態。

3.2 狀態機

ATV71屬于磁通矢量變頻器，即在變頻器等待發送頻率前要對電機先建立磁通，磁通建立好后再向變頻器發送頻率信號來啟動變頻器工作。建立磁通的過程要嚴格按照此變頻器的通信狀態機進行，狀態機如下：

圖二：通信狀態機

根據如上的狀態機圖，變頻器上電以后變頻器的狀態就變成了開啟非使能，此時變頻器處于鎖定狀態，狀態字ETA為16#xx40;先發送命令字16#0006，使得變頻器的狀態變成準備開啟，此時變頻器處于等待狀態，ETA為16#xx21;再發送命令字16#0007，使得變頻器的狀態變成開啟，此時變頻器處于準備狀態，ETA為16#xx23;最后發送命令字16#000F，使得變頻器的狀態變成操作勢能，此時變頻器處于運行狀態，ETA為16#xx27。至此，變頻器已經給電機預先建立好了磁通，這個時候發送頻率，電機就可以轉動起來。此外，還可以通過發送命令字16#0000來關閉變頻器所建立的磁通，使變頻器的狀態退回到鎖定狀態下，ETA也同時會變為16#xx40。

4. 通信程序流程圖

根據狀態機，通信程序編寫擁有三大模塊：變頻器的初始化模塊，轉速發送模塊，變頻器關斷模塊。三大模塊均放在PLC里面的OB1主循環模塊中，整機運行期間不斷循環判斷變頻器的三個狀態，起停由人機界面的開關進行控制，具體程序流程圖如下：

圖三：程序流程圖

5 總結

本文的創新點在于提出了通過Profibus總線將西門子S7-300系列PLC和ATV71系列變頻器連接通信的編程方法，該通信方案已經成功應用于紡織行業的粗紗機四電機控制系統，很好的滿足了粗紗工藝中對變頻器低頻特性的苛刻要求，使產品質量得到了很大的提高。

參考文獻

[1] 王仁祥 王小曼 編著.通用變頻器選型、應用于維護[M] 北京：人民郵電出版社，2005.6

[2] 邱公偉 主編. 可編程控制器網絡通信及應用[M] 北京：清華大學出版社，2000.3

[3] 廖常初 主編. S7-300/400 PLC應用技術[M] .北京：機械工業出版社，2005.3

[4] 吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8-1：21-23

作者簡介：

1.高勇（1982-），男（漢），安徽合肥，上海交通大學自動化系，碩士，研究方向：現場總線通信和智能控制以及多電機同步協調控制。

2. 宮亮， 男（漢），山東，上海交通大學自動化系，碩士，研究方向：工業智能系統控制

3.楊煜普，男（漢），陜西，上海交通大學自動化系，教授，博士生導師，研究方向：神經網絡與智能控制。