1 引言
變頻器" title="變頻器">變頻器是交流調速中普遍使用的電氣傳動基本設備。隨著pc機技術的成熟和發(fā)展，基于pc的電氣傳動自動化集成解決方案被提出，并逐步在各種工業(yè)控制場合得到應用。本文設計了基于siemens的pc控制器winac" title="winac">winac集成環(huán)境下的profibus-dp通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)了上位機與siemens mm420變頻器的數(shù)據(jù)通訊" title="數(shù)據(jù)通訊">數(shù)據(jù)通訊與在線監(jiān)測" title="在線監(jiān)測">在線監(jiān)測技術。
2 系統(tǒng)組成
在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構圖
系統(tǒng)以pc機(配置cp5613通訊卡和winac)作為主站，mm420變頻器安裝profibus通訊模塊為從站接入profibus-dp，這樣pc機既作為plc的軟控制器，又可作為監(jiān)控、管理計算機，實現(xiàn)一機多用。
每個變頻器的從站地址可在工控機上由軟件設定，ppo類型的選擇和具體運用有關，如果需要讀寫mm420參數(shù)，則需4pkw區(qū)，如果除設定值和控制字以外，還需傳送其他數(shù)據(jù)，則要選擇4pzd。本例選1型，地址分配為4pkw+2pzd(512～523)。變頻器參數(shù)的設置如表1所示。
表1 變頻器參數(shù)設置
3 mm420變頻器的數(shù)據(jù)區(qū)結構
如表2所示，變頻器的通訊區(qū)分為兩個區(qū)域，即pkw區(qū)(參數(shù)識別id－數(shù)值區(qū))和pzd區(qū)(過程數(shù)據(jù))。
表2 變頻器的數(shù)據(jù)區(qū)結構
pkw區(qū)說明參數(shù)識別id-數(shù)值（pkw）接口的處理方式。pkw接口并非物理意義上的接口，而是一種機理，這一機理確定了參數(shù)在兩個通訊伙伴之間（例如控制裝置與變頻器）的傳輸方式，通過pkw區(qū)可以讀寫變頻器的參數(shù)值從而改變變頻器的工作狀態(tài)。通訊報文的pzd區(qū)是為控制和監(jiān)測變頻器而設計的,其數(shù)據(jù)根據(jù)傳送方向不同而不同。當數(shù)據(jù)由主站傳向變頻器時，pzd區(qū)由控制字(stw)和頻率設定值(hsw)構成，當數(shù)據(jù)由變頻器傳向主站時，pzd區(qū)返回變頻器的狀態(tài)字(zsw)和實際速度值(hiw)。pkw和pzd共有5種結構形式，即ppo1，ppo2，pp3，ppo4，ppo5，在系統(tǒng)組態(tài)時要對ppo進行選擇，每一種類型的結構形式如下所示：
ppo1：4pkw+2pzd（共6個字）；
ppo2：4pkw+6pzd（共10個字）；
ppo3：2pzd（共2個字）；
ppo4：6pzd（共6個字）；
ppo5：4pkw+10pzd（共14個字）。
4 winac與變頻器通訊程序
4.1 winac控制軟件包
winac是西門子公司近年新推出的基于pc的控制器, 它是一套應用于windows操作系統(tǒng)的軟件包，它將控制、數(shù)據(jù)采集、通訊、人機界面及其它技術完整地集成在一臺pc機上,使得控制系統(tǒng)硬件更加精煉。winac的功能不僅僅限于在pc機上實現(xiàn)plc的功能，同時它在plc與pc間實現(xiàn)完美的集成，突破了傳統(tǒng)plc開放性差、硬件昂貴、開發(fā)周期長、升級困難等束縛。它充分利用了pc機的軟硬件資源，在面對各種不同的生產(chǎn)需求時，既具有了良好的靈活性、適應性、擴展性，又保持了plc原有的可靠性。winac提供強大的計算功能,與工業(yè)過程數(shù)據(jù)之間建立起一條工作數(shù)據(jù)鏈路,使上位機能夠實時處理過程數(shù)據(jù),完成復雜的測量控制與故障分析計算。winac能在過程控制和pc應用程序之間管理數(shù)據(jù)信息流量,允許高效、簡便地訪問和修改過程數(shù)據(jù)。winac與s7系列處理器完全兼容,其編程采用統(tǒng)一的simatic編程工具,程序既可以用于winac,也可用于s7系列處理器。借助于simatic控制軟件可以在profibus-dp的分布式ｉ/ｏ站上使用s7 300功能模塊,因而采用winac控制器是一個合適而且經(jīng)濟的解決方案。
winac最突出的優(yōu)點是可以充分利用pc機的軟硬件資源，在自動控制領域實現(xiàn)了多功能集成控制；即將開閉環(huán)控制、運動控制、視頻系統(tǒng)、人機界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)管理、網(wǎng)絡通信等等一系列的自動化控制和通信任務在統(tǒng)一的pc機平臺上集成，并且將生產(chǎn)控制過程與辦公信息管理聯(lián)接了起來。winac軟件分類有：winac basis、winac rtx(real time extent)、winac slot和 winac odk；本試驗系統(tǒng)使用的是winac rtx4.0,是面向高速和精確時間要求的控制任務的基于pc的自動化解決方案。它采用了微軟認證的精確時鐘解決方案提供商—venturcom的實時內核，即rtx(real time extent)。rtx作為wondows系統(tǒng)的擴展實時子系統(tǒng)，滿足了控制任務對高速和精確的時間的要求，并將控制程序及profibus-dp通信驅動程序運行在rtx擴展內核上。由于rtx擴展內核在windows nt操作系統(tǒng)之外，即使windows nt藍屏死機時，也不會對控制和通信產(chǎn)生影響。并通過西門子的cp5613通信卡和輸入輸出硬件模板連接，來完成對各個測點的監(jiān)控。
4.2 winac與mm420變頻器通訊
系統(tǒng)組態(tài)完成后，為了實現(xiàn)winac對變頻器的控制，要編寫必要的通訊程序，下面具體說明通訊程序的編寫。
由于在s7中用裝載(l)指令訪問i/o區(qū)時最多只能讀取4個連續(xù)的字節(jié)，因此需要在主程序中調用功能塊sfc14(“dprd_dat”)和sfc15(“dpwr_dat”)來讀寫變頻器的參數(shù)。
對pkw區(qū)的讀寫，plc對pkw區(qū)數(shù)據(jù)的訪問是同步通訊，即發(fā)一條信息，得到返回值后才能發(fā)第二條信息。程序中，將db1.dbx24.0開始的8個字節(jié)寫入從站，從站數(shù)據(jù)讀入db1.dbx8.0開始的8個字節(jié)。w#16#208是硬件組態(tài)時pkw的起始地址。420變頻器參數(shù)的讀寫是通過對pkw區(qū)的pke寫入不同數(shù)值區(qū)分的，具體情況參閱西門子變頻器的參數(shù)設置，以下舉例說明。
（1）讀寫0002～1999的參數(shù)：
如讀參數(shù)p0700，700=2bc(hex)，
plc pkw輸出=12bc,0000,0000,0000
；1為讀請求
plc pkw 輸入=12bc,0000,0000,0006
；返回1表示參數(shù)為單字長，值為6
如寫參數(shù)p1082, 1082=43a(hex)
plc pkw 輸出＝343a,0000,41f0,0000
；3為寫雙字請求
41f00000（hex）=30.0(real)
plc pkw輸入＝243a,0000,41f0,0000
；返回2表示參數(shù)為雙字長,確認修改完畢。
（2）讀寫2000-2999的參數(shù)：
如讀參數(shù)p2010, 10=a(hex)
plc pkw輸出＝100a,8001,0000,0000
；1為讀請求, 8表示參數(shù)號在2000～3999范圍, 1表示數(shù)組中第一個參數(shù)。
plc pkw輸入＝100a,8001,0000,0006
；返回1表示參數(shù)為單字長，值為6
?。?）對pzd區(qū)的讀寫：
由于采用2pzd方式，因此pzd的讀寫不需要調用sfc14、sfc15，直接采用傳送指令l、t讀寫數(shù)據(jù)。
l db1.dbd 0
t pqd 520
l pid 520
t db1.dbd 4
程序中變頻器的控制字和頻率設定值存儲在db1.dbx0.0開始的4個字節(jié)內，通過pqw520、pqw522傳入變頻器，db1.dbw0先設為047e再變?yōu)?47f,變頻器以設定的頻率值啟動運行；變頻器的狀態(tài)字和實際速度值從piw520、piw522讀入，存入db1.dbx 4.0開始的4個字節(jié)內。
4.3 變頻器的在線監(jiān)測
當變頻器與上位機的網(wǎng)絡通訊組建后，即可在上位機上編制hmi，利用mm420變頻器提供的關于電機及裝置的大量運行和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其可供用戶觀察和診斷之用。該數(shù)據(jù)可由用戶程序讀取，并可傳送給相應的操作員通訊和監(jiān)視系統(tǒng)。這樣，各種運行和統(tǒng)計信息可在控制室內顯示。
mm420變頻器有關當前運行狀態(tài)有裝置開（on）/關（off），實際相電流，逆時針，順時針，速度信號，閉合，嚴重警告，一般故障等信息。也可設定的電流限制使過程工程師了解有關系統(tǒng)內的臨界狀態(tài)。通過發(fā)出臨界運行狀態(tài)的信號減少故障可設定的電流限制使過程工程師了解有關系統(tǒng)內的臨界狀態(tài)。例如，當一電流低于電流設定值下限時，這可能意味著輸送機皮帶斷裂。攪拌機的過載例如可通過顯示“超過電流上限”的字樣得到快速檢測。為避免機器的過載跳閘，過程工程師可采取準確步驟來改變工作過程。
因為所有關于具體電機及裝置狀況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)能迅速地從變頻器傳送到上位機，故當變頻器出現(xiàn)其他臨界運行狀態(tài)如：（1）電流不平衡；（2）過載警告/脫扣；（3）熱敏電阻電動機保護警告/脫扣；（4）接地故障警告/脫扣；（5）堵轉保護；（6）上限/下限電流響應警告/脫扣等臨界狀態(tài)時，技術人員可及時發(fā)現(xiàn)，這樣縮短了維護時間，維護時間間隔可得到延長。
對于變頻器所出現(xiàn)的故障，有故障號（r947）、故障值（r949）、故障列表（r951）、故障數(shù)目（r952）和故障時間（r782）可用，其中故障號是從f001到f255，每一個故障號都對應有故障說明和解決措施在hmi上顯示，如出現(xiàn)f081故障，系統(tǒng)將顯示如表3所示信息。
表3 故障數(shù)據(jù)顯示
mm420變頻器本地記錄起動次數(shù)和過載脫扣次數(shù)，合計運行小時數(shù)并計算上次脫扣的電流。所有數(shù)據(jù)均被存儲在mm420變頻器內的非易失性存儲器中。工程師可在上位機直接將這些打印和進一步分析。mm420變頻器處理器功能的正確與否將得到永久性監(jiān)視。如果出現(xiàn)故障，mm420變頻器將負荷切換到調整、安全狀態(tài)(或者保持運行狀態(tài)－單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)方式)。自監(jiān)視“在運行中”也可測試該功能使mm420變頻器增強了安全性并改善了監(jiān)視特性。mm420變頻器的運行情況可在運行中進行檢查，無需關閉電動機。這既節(jié)省時間又避免不必要的運行中斷。
5 結束語
通過上述介紹，實現(xiàn)了profibus-dp網(wǎng)絡環(huán)境下winac與變頻器間的通訊，通過參數(shù)的讀寫可以實現(xiàn)變頻器的啟停、調速、在線查看變頻器狀態(tài)、實際運行速度等功能，具有很大的實用性。