关键词：Profibus, PLC, 变频器，通信技术
1.引言
可编程控制器（PLC）和交流变频器被广泛应用于工业控制领域。为满足控制系统中多变频器协调工作的控制要求，市场上流行的变频器通常都具有网络通信功能，并将其通信协议开放给用户，以利于用户的良好使用。在众多的控制系统中，采用的总线多种多样，其中，Profibus以其独特的技术特点、开放的标准、稳定的传输性能得到了广泛的应用。
在基于Profibus总线通信的控制系统中PLC作为控制系统中的主站，负责总线管理和从站的通信。变频器作为执行机构，在系统中处于从站地位。PLC的强大的逻辑处理能力和通信能力能够通过Profibus得到充分发挥。本文介绍的控制系统采用的是西门子公司S7-300系列PLC（315-2DP）和施耐德公司的ATV71系变频器，并将其应用在纺织行业中的四电机粗纱机控制系统。
2.系统硬件结构
系统硬件结构图如图一所示，控制系统中的四个电机分别由相应的变频器进行控制，四电机速度控制要严格按照粗纱工艺要求，PLC在不同阶段按照工艺曲线计算速度变化，从而保证良好的产品质量。
PLC在控制系统中作为主站，在整机纺纱过程的不同阶段，PLC根据程序计算出各个电机的速度，按照Profibus通信协议，将速度命令信号发送给变频器。变频器获得命令信号后执行动作并反馈运行状态和故障报警信号给PLC.
S7-300 315-2DP有两种通信接口：MPI接口和Profibus-DP接口。本控制系统中MPI接口用于连接Proface人机界面。便于操作工进行整机操作。Profibus-DP接口引出Profibus总线，ATV71变频器则通过该总线和PLC进行实时数据通信。Profibus总线最多可以设置127个从站，也给系统结构的扩展增加了灵活性。
施耐德公司的ATV71变频器是高性能磁通矢量控制变频器，拥有良好的低频特性，可以很好的满足粗纱工艺对低频区的要求。但其内置的总线接口是Modbus总线，只符合Modbus总线协议标准，所以不能直接连接到Profibus总线，故需要为每个变频器选配一块PROFIBUS-DP的通讯卡来支持和西门子PLC的通讯。
图一：四电机粗纱机控制系统硬件结构
3.总线通信帧格式和状态机
根据PROFIBUS-DP协议的规定，数据的交换要按照主从模式的原则来进行，只有主站才能对总线通讯做初始化工作。而从站的工作模式就和服务器工作的模型一样，应答从站发送过来的请求信号。同一根总线上可以有多个主站，它们都可以读取从站的I/O信号，不过只有一个主站可以对从站实施写操作。
3.1 通信协议帧格式
数据交换的时候需要有固定的帧格式，该帧格式在PROFIBUS-DP总线协议中称为PPO（Parameter-Process Data-Object）;PPO又由PKW和PZD两部分组成。PKW是用来读写非周期性数据，包括参数设定、配置和诊断;PZD是用来读写周期性的数据，即读写I/O信号。在PROFIBUS-DP总线协议中，有五类PPO，各类PKW和PZD所要求的字数都不一样。
ATV71的Profibus通信卡所要求的输出输入数据帧格式采用PPO5，如下表：
表一：输出数据帧格式
表二：输出数据帧格式
PKW部分：PKE代表的是所要求修改参数的逻辑地址，该地址可以通过变频器内部通讯变量表查询获得;R/W/N代表读/写请求或者是错误信息，分别用ASCII码表示;PWE为所修改的参数的值。
PZD部分：CMDD表示命令字，即表示对变频器发送指令，要求其完成指定的功能;LFRD表示所需要对变频器发送的参考转速（RPM）;CMI表示内部命令寄存器，主要是对命令做一些补充。ETAD表示状态字，反映了变频器当前所处在何种状态;RFRD表示当前电动机的实际转速（RPM）;本控制系统最为关注的是PZD2的数值，PLC需要变频器反馈电机的实际转速，然后通过程序进行速度校正。其它参数设计到电机的电流、电压等一些其它状态。
3.2 状态机
ATV71属于磁通矢量变频器，即在变频器等待发送频率前要对电机先建立磁通，磁通建立好后再向变频器发送频率信号来启动变频器工作。建立磁通的过程要严格按照此变频器的通信状态机进行，状态机如下：
图二：通信状态机
根据如上的状态机图，变频器上电以后变频器的状态就变成了开启非使能，此时变频器处于锁定状态，状态字ETA为16#xx40;先发送命令字16#0006，使得变频器的状态变成准备开启，此时变频器处于等待状态，ETA为16#xx21;再发送命令字16#0007，使得变频器的状态变成开启，此时变频器处于准备状态，ETA为16#xx23;最后发送命令字16#000F，使得变频器的状态变成操作势能，此时变频器处于运行状态，ETA为16#xx27。至此，变频器已经给电机预先建立好了磁通，这个时候发送频率，电机就可以转动起来。此外，还可以通过发送命令字16#0000来关闭变频器所建立的磁通，使变频器的状态退回到锁定状态下，ETA也同时会变为16#xx40。
4. 通信程序流程图
根据状态机，通信程序编写拥有三大模块：变频器的初始化模块，转速发送模块，变频器关断模块。三大模块均放在PLC里面的OB1主循环模块中，整机运行期间不断循环判断变频器的三个状态，起停由人机界面的开关进行控制，具体程序流程图如下：
图三：程序流程图
5 总结
本文的创新点在于提出了通过Profibus总线将西门子S7-300系列PLC和ATV71系列变频器连接通信的编程方法，该通信方案已经成功应用于纺织行业的粗纱机四电机控制系统，很好的满足了粗纱工艺中对变频器低频特性的苛刻要求，使产品质量得到了很大的提高。
参考文献
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[2] 邱公伟 主编. 可编程控制器网络通信及应用[M] 北京：清华大学出版社， 2000.3
[3] 廖常初 主编. S7-300/400 PLC应用技术[M] .北京：机械工业出版社，2005.3
[4] 吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程[J].微计算机信息，2005，8-1：21-23
作者简介：
1.高勇（1982-），男（汉），安徽合肥，上海交通大学自动化系，硕士，研究方向：现场总线通信和智能控制以及多电机同步协调控制。
2. 宫亮， 男（汉），山东，上海交通大学自动化系，硕士，研究方向：工业智能系统控制
3.杨煜普，男（汉），陕西，上海交通大学自动化系，教授，博士生导师，研究方向：神经网络与智能控制。
