西门子S7-300与MM440间DP通讯(Wincc Flexible)

南京理工大学自动化学院第1页共37页基于S7-300与MM440间DP通讯的三相交流电机控制系统设计1分析被控对象与明确控制任务1.1分析被控对象本次实验目的是建立S7-300与MM440变频器的PROFIBUS-DP通讯，通过PLC对变频器进行操作，从而使变频器能够按预期目的对电机进行控制。该系统的被控对象为西门子厂商的三相交流异步电动机，主要铭牌参数如表1所示。表1三相异步电动机主要参数型号3~Mot1LA7083-4AA10额定频率50Hz额定功率因素0.80功率0.75KW额定转速1395r/min接线方式三角型△星型Y额定电压230V400V额定电流3.36A1.93A电压范围220V~240V380~420V电流范围3.72A~3.82A2.12A~2.17A此次实验的三相交流电源从变频器引至电动机，电动机采用星型接线方式。三相交流电源在进入变频器前使用断路器和接触器将电源与变频器隔开，并用ET200M的一个DI口控制该接触器的开合。系统接线总体结构图如图1.1所示。南京理工大学自动化学院第2页共37页图1.1系统接线总体结构图1.2明确控制任务控制任务是S7-300通过DP通讯口，操作MM440，实现电机的启动、停机、正转、反转、变速和正反向点动，并读取电机当前电压、电流及频率值。2控制任务的分解与被控对象的描述2.1控制任务的分解可以按通讯的性质将控制任务划分为两大部分。第一部分是S7-300通过DP控制MM440参数，以实现电机的启动、停机、正转、反转、变速和正反向点动。第二部分是S7-300通过DP读取MM440参数，读取控制电压、电流及频率。2.2被控对象的描述对电动机的操作工艺流程图如图2.1所示，可以完成启动、停机、正转、反转、变速及正反向点动功能，操作面板使用触摸屏实现。南京理工大学自动化学院第3页共37页开始系统复位？设置速度运行状态改变速度设置方向点动运行结束闭合断路器YN断开断路器启动停机图2.1操作工艺流程图3系统硬件设计3.1操作面板设计操作面板使用触摸屏实现，主要由操作部件和显示部件组成。使用WinccFlexible实现的控制面板如图3.1、图3.2以及图3.3所示。图3.1基本操作面板南京理工大学自动化学院第4页共37页图3.2实时参数面板图3.3频率时间图面板1.操作部件z断路器开关闭合时断路器闭合，断开时断路器断开；z复位按钮对系统进行一次初始化，并建立通讯；z转向设置开关闭合时电机转向为正向，断开时点击转向为反向；z预设速度框用来填入希望达到的速度；z设置速度按钮使预设速度生效；z启动按钮南京理工大学自动化学院第5页共37页使电机按设置速度启动；z停机按钮使电机停转；z点动按钮按下时，电机按设定方向以变频器中设置的固定速度转动，放开即停机；2.显示部件z断路器状态灯反映断路器当前状态，闭合亮，断开灭；z电机运行指示灯反映电机运行状态，运行时亮，停止时灭；z电机转速表显示电机当前速度；z电机电压表显示电机当前电压；z电机电流表显示电机当前电流；z变频器频率表显示变频器当前输出频率；z频率时间图（f-t图）纵轴为频率，横轴为时间，用来绘制频率历史曲线，频率与速度成正比。3.2实验室系统硬件结构设计实验室系统硬件总体结构设计如图3.4所示。由三部分组成：监控单元、控制单元和现场设备。1.监控单元使用西门子的SIMATICPANEL触摸屏实现。2.控制单元使用S7-300和MM440实现对电机的控制。3.现场设备三相异步交流电动机。南京理工大学自动化学院第6页共37页Step7WinCCFlexibleS7-300CPUMM440ET200MPROFIBUS-DP工业以太网图3.4实验室系统硬件总体结构图3.3系统硬件组态1.组态主站打开SIMATICMANAGER，通过FILE菜单选择NEW新建一个项目，在NAME栏中输入项目名称，将其命名为S7300_MM440，在下方的StorageLocation中设置其存储位置，如图3.5所示。项目屏幕的左侧选中该项目，在右键弹出的快捷菜单中选择InsertNewObject插入SIMATIC300Station，如图3.6所示，可以看到选择的对象出现在右侧的屏幕上。南京理工大学自动化学院第7页共37页图3.5新建项目图3.6插入S7-300站双击MPI/DP槽，在弹出窗口“Interface”→“Type”中选择“PROFIBUS”，然后点击“Properties”，如图3.7所示点击“New”新建一条DP总线，并设置地址为2。点击“Properties”，弹出如图3.8所示窗口，选择DP类型，并设置传输速率为1.5Mbps。图3.7新建PROFIBUS总线图3.8设置属性打开SIMATIC300Station，然后双击右侧生成的Hardware图标，在弹出的HWconfig中进行组态，在菜单栏中选择“View”选择“Catalog”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39和图3.10所示。图3.9组态主站图3.10各模块详细信息此处不需要对触摸屏进行组态，其组态在WinccFlexible里完成。南京理工大学自动化学院第8页共37页2.组态从站在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的通讯区，通讯区与应用有关。MM440采用通用串行接口协议，其报文结构将在软件部分讲述。由程序操作的通讯数据通过参数标识符值PKW和过程数据PZD传递，最长使用的是中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“PROFIBUSDP”→“SIMOVERT”→“MICROMASTER4”，添加到DP总线上，如图3.11。②在弹出窗口中选择地址为4，如图3.12所示。③选择“MICROMASTER4”→“4PKW，2PZD(PP01)”，添加到从站中，如图3.13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3.13。图3.11插入MM440从站图3.12设置MM440从站地址南京理工大学自动化学院第9页共37页图3.13组态从站3.4MM440参数设置使用变频器前应该先进行相关参数的设置，包括快速调试以及通讯相关参数设置。进行快速设置时应将P0010设置为1，并设置P0003来改变用户访问级，最后将P3900设置为1，完成必要的电动机参数计算，并使其它所有的参数恢复为工厂设置。快速设置参数如表3.1所示。表3.1快速设置参数表P0003参数内容缺省值设置值说明1P0100使用地区00欧洲：功率单位KW频率缺省值50Hz3P0205应用领域00恒转矩2P0300电机类型11异步电动机1P0304额定电压230400额定电压为400V1P0305额定电流3.251.93额定电流为1.93A1P0307额定功率0.750.75额定功率为0.75KW2P0308功率因素0.000.80cosφ=0.802P0310额定频率50.0050.00额定频率为50.00Hz1P0311额定速度01395额定速度为1395r/min3P0320磁化电流0.0由变频器自行计算2P0335冷却方式00自冷2P0640过转因子150150电机过载电流限幅值为南京理工大学自动化学院第10页共37页额定电流的150%1P0700命令源26COM链路的通讯板(CB)设置1P1000频率设定选择26通过COM链路的CB设定1P1080最小频率0.000.00允许最低的电动机频率1P1082最高频率50.0050.00允许最高的电动机频率1P1120斜坡上升时间10.0010.00电机从静止状态加速到最高频率所用的时间1P1121斜坡下降时间10.0010.00电机从最高频率减速到静止状态所用的时间2P1135OFF3斜坡下降时间5.005.00参数发出OFF3命令后，电机从最高频率减速到静止状态所用的时间2P1300电机控制方式00线性特性的V/f控制2P1500转矩设定值00无主设定值2P1910自动检测方式00禁止自动检测方式与通讯配置相关参数设置如表3.2所示，参数由P0003和P0004过滤。表3.2通讯配置参数表P0003/P0004参数内容缺省值设置值说明2/20P0918PROFIBUS地址34地址值为43/7P719命令和频率设定值的选择00命令和设定值都使用BICO2/20P927参数修改设置1515使能DP接口更改参数4系统软件设计4.1MM440通讯协议MM440采用PROFIBUS-DP与S7-300连接，在DP现场总线上使用的是PROFIBUS-DP协议，MM440中通过选择通讯面板（CB）来实现该功能，下面南京理工大学自动化学院第11页共37页将对两者间通讯相关帧内容进行介绍。4.1.1通讯帧的结构在变频器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4.1所示，其中用户数据属于我们需要了解的。图4.1通讯帧的结构4.1.2用户数据详细说明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。变频器通讯概要定义了5种PPO类型，如图4.2所示。图4.2用户数据结构MM440仅支持PPO型1和型3，此处选取的是通讯的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4.3所示。下面介绍分别数据类型的具体内容。南京理工大学自动化学院第12页共37页图4.3PPO1类型数据格式1.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该字的结构如表1所示。其中AK标识分任务和应答模式，表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。表4.1PKE字结构位标识功能15-12AK任务或应答识别标记ID11SPM保留为010-0PNU基本参数号表4.2任务AK说明表4.3应答AK说明表4.4IND说明AK说明1请求参数数值2修改参数数值（单字）3修改参数数值（双字）AK说明2传送参数数值（单字）3传送参数数值（双字）南京理工大学自动化学院第13页共37页(2)INDPNU扩展以2000个参数为单位，大于等于2000则加1。下标用来索引参数下标，没有值则取0。(3)PWEPWE的两个字是被访问参数的数值MICROMASTER4的参数数值，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）：12BC000000000000MICROMASTER4→PLC（应答）：12BC00000002应答报文告诉我们P0700是一个单字长的参数数值为0002hex。②读出参数P2010[下标1](2010=00A和IND的位15置1)的数值；PLC→MICROMASTER4（请求）：100A800100000000MICROMASTER4→PLC（应答）：243A000042480000应答报文告诉我们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.