PLC与变频器通信：西门子工业通信工程应用技术

（1）通信帧结构

在变频器DP现场总线控制系统中，S7-300与MM440间用户数据交换的帧主要使用的是有可变数据字段长度的帧（SD2），它分为协议头、用户数据和协议尾，如图12-2所示，其中用户数据是我们需要了解的。

图12-2 通信帧的结构

用户数据结构被指定为参数过程数据对象（PPO），有的用户数据带有一个参数区域和一个过程数据区域，而有的用户数据仅由过程数据组成。变频器通信概要定义了5种PPO类型，如图12-3所示。

图12-3 用户数据结构

MM440仅支持PPO型1和型3，此处选取的是通信的PPO1类型，包含4个字的PKW数据和2个字的PZD数据，数据格式如图12-4所示。下面分别介绍数据类型的具体内容。

（2）PKW区

PKW区前两个字PKE和IND的信息是关于主站请求的任务或应答报文，PKW区的第3、第4个字规定报文中要访问的变频器的参数。P2013选择可变长度模式（默认值127），主站只发送PKW区任务所必需的字数，应答报文的长度也只是需要多长就用多长，这里主站只使用4个字PKW。

1）PKE。该字的结构见表12-2。其中AK标识分任务和应答模式，表12-2仅列出常用的表示说明。PNU存放要访问的变频器的参数号，当参数超过一定范围时，还以IND中数据位索引。

图12-4 PPO1类型数据格式

表12-2 PPO1数据格式具体位

2）IND。PNU扩展以2000个参数为单位，当参数号小于2000时，表示PNU扩展的IND第7位为0，当参数号大于或等于2000时，表示PNU扩展的IND第7位为1。下标用来索引参数下标，没有值则取0。

3）PWE。PWE的两个字是被访问参数的数值，它包含有许多不同的类型，包括整数、单字长、双字长、十进制数浮点数以及下标参数，参数存储格式和P2013的设置有关，可参见变频器手册。

4）举例。

①读出参数P0700（700=02BChex）的数值：

PLC→MICROMASTER4（请求）：12BC000000000000

MICROMASTER4→PLC（应答）：12BC000000000002

应答报文告诉用户P0700是一个单字长的参数数值为0002 hex。

②读出参数P2010[下标1]（0010=00A和IND的位7置1）的数值：

PLC→MICROMASTER4（请求）：100A018000000000

MICROMASTER4→PLC（应答）：200A018042480000

应答报文告诉用户这是一个双字长参数数值为42480000（IEEE浮点数），可以转换为十进制数形式显示。

③把参数P1082的数值修改为40.00（40.00=42200000 IEEE浮点数）：

Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：143A000000000000

MICROMASTER4→PLC（应答）：243A000042480000

应答识别标志2表明这是一个双字参数，所以必须采用任务识别标志3修改双字参数数值。

Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：343A000042200000

MICROMASTER4→PLC（应答）：243A000042200000

确认这一参数的数值已修改完毕。

（3）PZD区

通信报文的PZD区是为控制和监测变频器而设计的，可通过该区写控制信息和控制频率，读状态信息和当前频率。

1）STW。当通过PLC对变频器写入PZD时，第1个字为变频器的控制字，其含义见表12-3。一般正向起动时赋值0X047F，停止时赋值0X047E。

表12-3 控制字说明

2）HSW。当通过PLC对变频器写入PZD时，第2个字为主设定值，即设定的变频器主频率。如果P2009设置为0，数值是以十六进制数的形式发送；如果P2009设置为1，数值是以绝对十进制数的形式发送。

3）ZSW。当通过PLC读变频器PZD时，第1个字为变频器状态字，其含义见表12-4。

表12-4 状态字说明

4）HIW。当通过PLC读变频器PZD时，第2个字为运行参数实际值，通常把它定义为变频器的实际输出频率。

5）举例。

①正向运行，频率40.00Hz：

Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：047E3333

MICROMASTER4→PLC（应答）：FB310000

设置速度，并检测变频器是否处于准备运行状态，应答数据提示用户，当前频率状态正常，方向设置为正向，并且速度为0。

Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：047F3333

发送控制命令，起动变频器控制电动机。

②变频器正向点动：

Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：047E0000

MICROMASTER4→PLC（应答）：FB310000

检测变频器是否处于准备运行状态，应答数据提示我们，当前频率状态正常，方向设置为正向，并且速度为0。

Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：057E0000

发送命令，使电动机点动运行，正向点动运行频率由P1058决定。

（4）系统功能函数SFC14、SFC15

为了存取相连续的数据区域，使用系统功能函数SFC14（DPRD_DAT）和SFC 15（DP-WR_DAT）。(www.xing528.com)

为了读一个DP从站相连续的输入数据区域，使用系统功能函数SFC 14（DPRD_DAT）。如果一个DP从站有若干个相连续的输入模块，则必须为所要读的每个输入模块分别安排一个SFC14调用。表12-5列出了SFC14的输入和输出参数。

表12-5 SFC14参数表

SFC15用来输出连续数据区域，输入和输出参数与SFC15相似，LADDR为目的输出数据地址，RECORD为希望输出数据存储区。见表12-6。

表12-6 SFC15参数表

返回值RECORD可以用来判断读写数据是否发生错误，以及发生何种错误，如果无错误发生，返回值为W#16#0000，其他状态可参阅手册。

（5）硬件组态

打开SIMATIC 300 Station，然后双击右侧生成的Hardware图标，在弹出的HW config中进行组态，在菜单栏中选择“View”→“Catalog”命令，打开硬件目录，按订货号和硬件安装次序依次插入机架、电源、CPU以及I/O模块，如图12-5和图12-6所示。

双击MPI/DP槽，在弹出窗口“Interface”→“Type”中选择“PROFIBUS”，然后单击“Properties”按钮，如图12-7所示单击“New”新建一条DP总线，并设置地址为2。单击“Properties”按钮，弹出如图12-8所示窗口，选择DP类型，并设置传输速率为1.5Mbit/s。

图12-5 组态主站

图12-6 各模块详细信息

图12-7 新建PROFIBUS总线

图12-8 设置属性

在DP总线上挂上远程I/O模块，设置从站地址为3，并在其上加入相应I/O模块。在DP总线上挂上MM440，并组态MM440的通信区，通信区与应用有关。MM440采用通用串行接口协议，其报文结构将在软件部分讲述。由程序操作的通信数据通过参数标识符值PKW和过程数据PZD传递，最长使用的是PKW为4个字（8个字节），PZD为2个字（4个字节）的固定长度报文，即PPO1类型，因此组态MM440的地址分别对应读写PKW和PZD。

组态MM440步骤如下：

1）打开硬件组态，在右侧选择“PROFIBUS DP”→“SIMOVERT”→“MI-CROMASTER 4”，添加到DP总线上，如图12-9所示。

2）在弹出窗口的下拉列表框中选择“Address”为4，如图12-10所示。

图12-9 插入MM440从站

图12-10 设置MM440从站地址

3）选择“MICROMASTER 4”→“4 PKW，2 PZD（PP01）”，添加到从站中，如图12-11所示。

4）从站组态完成，设置地址。PKW读为IB288～IB295，PZD读为IB296～IB299，PKW写为QB272～QB279，PZD写为QB280～QB283，如图12-11所示。

图12-11 组态从站

（6）软件设计

1）软件资源分配。软件资源分配如图12-12所示。

图12-12 软件资源分配

2）数据块DB1。S7-300与MM440的通信主要是对4个字PKW和2个字PZD进行读写，为使程序编写更为方便，可在程序中开辟一块静态存储空间，即DB1，用来存放要读写的数据，数据块格式与PKW和PZD的结构相似，如图12-13所示，读写区域分开。

图12-13 DB1资源分配图

3）PLC控制程序。

①S7-300通过DP控制MM440参数，以实现电动机的起动、停机、正转、反转、变速和正反向点动。

复位按钮（RESET）被按下，当断路器（BREAKER）已经闭合，则触发一次脉冲，进入复位完成状态（RESET_OK），给期望速度（SPEED）赋值为0，并对DB1中要发送的PZD区赋控制字（047Ehex）和主设定值（0），然后触发一个复位通信脉冲（RESET_SEND），调用SFC15和SFC14进行通信操作，写的操作地址从280（118hex）开始4个字节，读的操作地址从296（128hex）开始4个字节，程序如图12-14所示。

图12-14 复位程序

在复位完成后，可通过方向开关（FORWORD_BACKWORD）改变电动机的转动方向，断开为正方向，闭合为负方向。方向开关操作PZD中控制字的第11位（DB1.DBX20.3），这里要注意的是程序中字的存储方式是高字节存放低地址，低字节存放高地址，位都是从高到低对齐。方向设置可以在几种方式下完成：电动机起动前、电动机运行中以及电动机点动前。程序如图12-15所示。

图12-15 设置电动机转向

将速度按钮（SET_SPEED）置“1”，能够给期望速度赋值，并触发一个速度改变通信脉冲（SET_SPEED_SEND），当电动机处于运行状态时，将建立一次通信改变转速。变频器使用的V/f控制，速度是与频率成正比的，例如本电动机的额定频率是50Hz，该频率下对应的额定转速为1395r/min，当频率为40Hz时，转速对应为1116r/min。要注意的是，传送W#16#4000给主设定值，对应的频率为50Hz。程序如图12-16所示。

图12-16 设置电动机速度

复位完成后按下起动按钮（START），进入运行状态（START_ING）。起动分两个步骤，首先让电动机处于准备运行状态，触发起动通信脉冲1（START_SEND1），写PZD中控制字为047Ehex，主设定值为期望频率，并发送；当读回状态字为正方向FB31hex（-1231）或反方向BB31hex（-17615）时，触发起动通信脉冲2（START_SEND2），写控制字为047Fhex，主设定值为期望频率，此后电动机开始运行。程序如图12-17所示。

图12-17 起动程序

运行状态下点击停机按钮，将复位运行状态，并触发停止通信脉冲（STOP_SEND），写PZD中控制字047E hex以及主设定值0，电动机停止运行。程序如图12-18所示。

当复位完成，并且电动机不处于运行状态下时，可以按下点动按钮（JOG），检测到按钮按下，触发一个上升沿脉冲，此时将进入点动状态（JOG_ING），设置PZD中控制字第8位为1，第9位为0，并触发点动开始脉冲（JOGUP_SEND），发送控制字，点动的方向由方向开关决定。当点动按钮松开时，触发一个下降沿脉冲，将点动状态（JOG_ING）、控制字第8和第9位复位，并触发点动结束脉冲（JOGDOWN_SEND），发送控制字。程序如图12-19所示。

图12-18 停机程序

图12-19 点动程序

②S7-300通过DP读取MM440参数，读取控制电压、电流及频率。

该部分的功能是以0.5s的频率刷新当前电压、电流以及频率的值，变频器当前电压、电流以及频率是以32位浮点数的形式存储于参数r0025、r0027和r0021。T1每隔0.5s将触发一个上升沿脉冲，首先触发一个读电压脉冲（VOLTAGE_SEND），给PKW的4个字赋值（1019000000000000 hex），存储于DB1.DB12开始的8个字节中，并建立一次通信，当读回的PKW中PKE为8217（2019 hex）时，说明读取过程成功，将读取电压值（DB1.DB4～DB1.DB7）存储到电压值（VOLTAGE）中，紧接着触发一个读电流脉冲（CURRENT_SEND），根据上述原理再依次读电流和频率值。程序如图12-20～图12-22所示。

图12-21 读电流程序

图12-22 读频率程序