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集成環境下的profibus-dp通訊網絡，實現了上位機與siemens mm420變頻器的數據通訊" title="數據通訊">數據通訊與在線監測" title="在線監測">在線監測技術。
           
2  系統組成
                   
　　在線監測系統硬件結構圖如圖1所示。

            圖1  系統結構圖
         

          
　　系統以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，又可作為監控、管理計算機，實現一機多用。

　　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，則需4pkw區，如果除設定值和控制字以外，還需傳送其他數據，則要選擇4pzd。本例選1型，地址分配為4pkw+2pzd(512～523)。變頻器參數的設置如表1所示。

           
表1  變頻器參數設置

3  mm420變頻器的數據區結構
                   
　　如表2所示，變頻器的通訊區分為兩個區域，即pkw區(參數識別id－數值區)和pzd區(過程數據)。

           
表2  變頻器的數據區結構

　　pkw區說明參數識別id-數值（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區可以讀寫變頻器的參數值從而改變變頻器的工作狀態。通訊報文的pzd區是為控制和監測變頻器而設計的,其數據根據傳送方向不同而不同。當數據由主站傳向變頻器時，pzd區由控制字(stw)和頻率設定值(hsw)構成，當數據由變頻器傳向主站時，pzd區返回變頻器的狀態字(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，在系統組態時要對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操作系統的軟件包，它將控制、數據采集、通訊、人機界面及其它技術完整地集成在一臺pc機上,使得控制系統硬件更加精煉。winac的功能不僅僅限于在pc機上實現plc的功能，同時它在plc與pc間實現完美的集成，突破了傳統plc開放性差、硬件昂貴、開發周期長、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,與工業過程數據之間建立起一條工作數據鏈路,使上位機能夠實時處理過程數據,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據信息流量,允許高效、簡便地訪問和修改過程數據。winac與s7系列處理器完全兼容,其編程采用統一的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濟的解決方案。
                   
　　winac最突出的優點是可以充分利用pc機的軟硬件資源，在自動控制領域實現了多功能集成控制；即將開閉環控制、運動控制、視頻系統、人機界面、數據采集、數據處理、生產管理、網絡通信等等一系列的自動化控制和通信任務在統一的pc機平臺上集成，并且將生產控制過程與辦公信息管理聯接了起來。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系統的擴展實時子系統，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操作系統之外，即使windows nt藍屏死機時，也不會對控制和通信產生影響。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控。
           
         4.2 winac與mm420變頻器通訊
                   
　　系統組態完成后，為了實現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區時最多只能讀取4個連續的字節，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。
                   
　　對pkw區的讀寫，plc對pkw區數據的訪問是同步通訊，即發一條信息，得到返回值后才能發第二條信息。程序中，將db1.dbx24.0開始的8個字節寫入從站，從站數據讀入db1.dbx8.0開始的8個字節。w#16#208是硬件組態時pkw的起始地址。420變頻器參數的讀寫是通過對pkw區的pke寫入不同數值區分的，具體情況參閱西門子變頻器的參數設置，以下舉例說明。
                   
　　（1）讀寫0002～1999的參數：

                    如讀參數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表示參數為單字長，值為6
                    如寫參數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表示參數為雙字長,確認修改完畢。
                   
　　（2）讀寫2000-2999的參數：

                    如讀參數p2010, 10=a(hex)
                    plc pkw輸出＝100a,8001,0000,0000
                    ；1為讀請求, 8表示參數號在2000～3999范圍, 1表示數組中第一個參數。
                    plc pkw輸入＝100a,8001,0000,0006
                    ；返回1表示參數為單字長，值為6
                   
　　（3）對pzd區的讀寫：

　　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讀寫數據。

                    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個字節內，通過pqw520、pqw522傳入變頻器，db1.dbw0先設為047e再變為047f,變頻器以設定的頻率值啟動運行；變頻器的狀態字和實際速度值從piw520、piw522讀入，存入db1.dbx 4.0開始的4個字節內。

           
　　4.3 變頻器的在線監測　　
                   
　　當變頻器與上位機的網絡通訊組建后，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計數據，其可供用戶觀察和診斷之用。該數據可由用戶程序讀取，并可傳送給相應的操作員通訊和監視系統。這樣，各種運行和統計信息可在控制室內顯示。
                   
　　mm420變頻器有關當前運行狀態有裝置開（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內的臨界狀態。通過發出臨界運行狀態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內的臨界狀態。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計數據能迅速地從變頻器傳送到上位機，故當變頻器出現其他臨界運行狀態如：（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/脫扣等臨界狀態時，技術人員可及時發現，這樣縮短了維護時間，維護時間間隔可得到延長。
                   
　　對于變頻器所出現的故障，有故障號（r947）、故障值（r949）、故障列表（r951）、故障數目（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f081故障，系統將顯示如表3所示信息。

           
表3  故障數據顯示

　　mm420變頻器本地記錄起動次數和過載脫扣次數，合計運行小時數并計算上次脫扣的電流。所有數據均被存儲在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視。如果出現故障，mm420變頻器將負荷切換到調整、安全狀態(或者保持運行狀態－單穩態或雙穩態方式)。自監視“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，實現了profibus-dp網絡環境下winac與變頻器間的通訊，通過參數的讀寫可以實現變頻器的啟停、調速、在線查看變頻器狀態、實際運行速度等功能，具有很大的實用性。