基于PROFIBUS-DP的西门子S7-1500 PLC与ACS5000变频器通讯的应用

来源 :电气传动自动化 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xyy2017
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  摘要: 介绍了基于PROFIBUS-DP通讯协议的西门子S7-1500 PLC与ABB ACS5000变频器在通讯上的应用。分别从变频器配置、适配器和网关配置、PLC配置和PLC编程等方面进行了研究,重点介绍了ACS5000在PROFIBUS-DP协议下参数配置的处理细节,实现了西门子S7-1500 PLC对ACS5000变频器上位的监控。讨论研究了在PROFIBUS-DP通讯协议下西门子系列PLC与ABB ACS系列变频器通讯的一般配置方法,该方法已成功应用于某国产电驱动压裂泵送设备的变频调速系统中,其运行效果良好。
  关键词: PLC; ACS5000; PROFIBUS-DP; 变频器; 通讯; 电气传动
  中图分类号: TM921.51                               文献标识码: A
  Application of communication between Siemens S7-1500 PLC and
  ACS5000 frequency converter based on PROFIBUS-DP
  ZHANG Li1, 2, LI Shuang-peng1, 2, YANG Xiao-peng3, LI Lei1, 2, ZHAO Xiao-fei2
  (1. National Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling Equipment, Baoji 721002, China;
  2. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China;
  3. CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu 610051, China)
  Abstract: The application of Siemens S7-1500 PLC and ABB ACS5000 inverter in communication based on PROFIBUS-DP is presented. The paper studies the configuration of frequency converter, adapter and gateway, PLC configuration and PLC programming. It focuses on the processing details of parameter configuration of ACS5000 under PROFIBUS-DP protocol. The upper monitoring of Siemens S7-1500 PLC on ACS5000 frequency converter is realized. The paper also discusses the general configuration method of communication between Siemens PLC and ABB ACS series frequency converter under PROFIBUS-DP communication protocol. This method has been successfully applied to the frequency conversion and speed regulation system of a domestic electric drive fracturing pumping equipment, and its operation effect is good.
  Key words: PLC; ACS5000; PROFIBUS-DP; frequency converter; communication; electric drive
  1  引言
   壓裂泵送设备是石油行业用于向井内注入高压、大排量压裂液,将地层压开并把支撑剂挤入裂缝的专用设备,主要用于页岩气开采领域,主体结构为压裂泵。现有压裂泵送设备多采用柴油机驱动压裂泵,但存在控制与调速不够灵活等问题;而本案引入变频驱动,以替代柴油机驱动,实现了对压裂泵的变频控制。其中变频驱动控制器选用西门子S7-1500 PLC(以下简称西门子PLC),传动选用ABB ACS5000变频器(以下简称ACS5000),通讯基于PROFIBUS-DP协议。PROFIBUS-DP是一种专为用户数据高速传输而优化设计的通讯协议,特别适用于可编程控制器与现场级分散的I/O设备之间的通讯,主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理[1-3]。采用变频控制后,将极大提高压裂设备的自动化水平。以下将介绍西门子S7-1500 PLC与ACS5000变频器基于PROFIBUS-DP通讯的一般配置方法,按照主站到从站的顺序,分别从变频器配置、适配器和网关配置、PLC组态配置、PLC编程四个方面介绍具体的配置方法,最终实现对石油泵送设备的远程变频控制。
  2  变频器配置
   ACS5000与控制信号源之间是通过收发主状态字(Main Status Word)和主控制字(Main Control Word)进行相互识别操作的[5]196。ACS5000在控制器内部划分了若干参数组,对应各项状态和控制参数,如主控制字地址为7.06(即参数组7的第6个参数),主状态字地址为8.01(即参数组8的第1个参数),所有功能均可通过对相应参数组的配置实现。ACS5000支持多种内部或外部控制信号源,若要建立与外部总线模块(如西门子PLC)之间的通讯,首先需要从总线模块选择、信号源、启/停设置、电机方向设置、通断控制、参考值设置和转速上下限制几个方面对变频器进行配置,如16.07组参数“通讯模式”应选择“AMC/CH0”外部通道0;11.01组参数“电机启停控制源”应选择“COMM.MODULE”由总线决定等。所有需要配置的参数组如表1所示[1,6]:   表1  ACS5000外部总线控制参数配置表
   上述参数配置好后,就可以对适配器和网关进行配置了。
  3  适配器和网关配置
   ACS5000内部为光纤通讯格式,但西门子S7-1500 PLC不支持光纤通讯,若要建立二者的通讯,必须选用一种双方均支持的协议,本案选用了PROFIBUS-DP协议[1]。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通讯协议,多用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。为此,ACS5000需要配备专门用于PROFIBUS-DP协议转换的NPBA-02 PROFIBUS适配器模块(以下简称适配器模块)。该模块用于ACS5000和PROFIBUS系统之间的连接,可以实现外部总线模块通过PROFIBUS-DP协议向ACS5000发送控制命令、速度或力矩给定信号、PID调节器给定信号和实际值信号、读取状态信息和实际值、改变传动参数和故障复位等功能。
   PROFIBUS-DP协议在周期性通讯中,使用PPO报文格式,结构[4]6-8如图1所示。
  图1  PPO报文格式
   PPO报文结构上分为参数标识PKW和过程数据PZD两部分,根据参数标识PKW和过程数据PZD的长度组合不同,定义了PPO1-PPO5五种类型格式。其中,参数标识PKW用于状态参数的传递;过程数据PZD用于过程数据的传递,其第一个字固定为控制字CW(发送指令时)和状态字SW(读取数据时),ACS5000总是先识别控制字CW和状态字SW, 控制字CW由西门子PLC发送给ACS5000,ACS5000根据控制字CW的信息作出反应,再以状态字SW反馈给西门子PLC。过程数据PZD从第二个字开始根据需求配置需要读写的参数,如电机转速、转矩、电流、电压等。
   选择PPO类型时,应根据参数量决定,本案需要读取压裂泵变频驱动电机的转速实际值、转矩实际值、电流、电压、时钟信号、功率、转矩测量值7个过程数据,因此只能选择最大支持9位过程数据的PPO5格式,其参数标识PKW位备用。
   NPBA-02 PROFIBUS适配器能自动识别外部DP通讯,选择好PPO报文类型后,再在网关中配置相应长度的报文地址,即可实现协议转换。本案选用Anybus 6017-ACM网关,如图2所示,在网关配置界面选择PPO5类型,因报文结构总长度4个PKW字+10个PZD字共14个字,因此分配了0—27共28个字节。完成上述工作后,再由变频器厂家在ACS5000内部控制器配置好所需参数,就完成了变频器端的全部设置。
  图2  Anybus网关配置
  4  PLC组态配置
   根据在网关配置时所选PPO报文类型,在PLC组态中也应分配相应长度的IO区域。如图3所示,分别配置相同长度的输入和输出地址,本案I地址分配为52—79共28个字节,Q地址分配为4—31共28个字节。
   需要注意的是,虽然本案中没有用到PPO报文的参数标识PKW字,但PLC组态时IO区域应始终包含PKW字空间。如图4所示,PPO5报文格式为4个PKW字+10个PZD字的形式,过程数据区只占10个字,但总共需要配置14个字的空间,过程数据区的起始字位应该是第5位而非第1位,即图3中PLC IO地址区域IW60—IW79和QW12—QW31对应PZD1—PZD10。
  
  
  图4  PPO5报文格式
   定义好PLC IO地址区域后,就需要分配各个过程数据的具体地址。压裂泵变频驱动电机在运行中,主要需要关注其转速实际值、转矩实际值、电流、电压、时钟信号、功率、转矩测量值7个参数。如表2所示,依次在PLC变量表中分配给对应IO区域,与网关地址一一对应,这样就完成了PLC的组态配置。
  表2  压裂泵驱动变频电机PLC变量分配表
  5  PLC编程
   西门子PLC程序是基于TIA Portal 15开发的,主要包含变频器控制和过程数据读写两部分,具体实现方式如下:
   (1)变频器控制
   PLC程序对变频器的控制主要通过对主控制字各个位置位来实现的。主控制字各位定义 [6]487如图5所示,改写控制字对应位即可实现变频器的启动、运行、停机、复位等操作。
   ACS5000的启动流程是按照“启动就绪—直流回路充电—变频器启动—速度给定”的顺序执行的,当传动达到启动就绪条件时,即辅助电源接通、柜门锁定、接地刀打开、急停消除,无故障存在时,发送启动就绪控制字5238。如果一切正常,则状态字返回561,即Bit 00位Ready On置1,传动进入准备启动状态;再发送直流充电命令控制字5239,即Bit 00 位On置1,直流回路充电开始。充电完成后状态字返回563,即Bit 01位Ready Run置1,傳动进入准备运行状态;进入准备运行状态后,系统等待发送启动命令。当确认电机可以运转后,发送启动命令控制字5247,即Bit 03 位Run置1,逆变器开始调制,电机按照默认初始速度开始运转。此时状态字返回823,即Bit 02位Ready Ref置1,且Bit 08位At Setpoint置1,至此传动启动完成。整个启动过程必须严格按照上述步骤逐一进行,每一步先发送相应控制字,确认返回的状态字正常后才能进行下一步操作,不能跳过某一步骤直接启动。
   ACS5000的调速是通过改写变频器速度给定值来实现的,其它过程数据同理,按照配置好的PPO报文格式,发送到对应字即可。
   ACS5000的停机则只需要对控制字Bit 03位置0,即给控制字赋值5239,此时传动返回准备运行状态。此时只要变频器还没有放电,发送启动命令控制字5247可随时重新启动。    (2)過程数据读写
   过程数据的读写是通过读取PPO报文相应位置实际值实现的。过程数据量较少时,可以逐个使用MOVE指令将分布式IO模块中的参数赋值给PLC内部数据块区域,这种方法简单直观,但在一个扫描周期内只能读取一个参数,效率较低,在采用PPO5类型等长报文格式时尤其明显。因此在CPU功能支持的前提下,可以考虑对参数批量读写,提高效率。
   西门子S7-1500 PLC特有的DPRD_DAT命令[7]即支持批量数据的读写。该命令的功能为读取 DP 标准从站的一致性数据,适用于中央模块以及 DP 标准从站和 PROFINET IO 设备。程序段结构如图6所示:
   DPRD_DAT命令有三个参数。如表4[7]所示,参数LADDR选择DP标准从站/PROFINET IO设备的模块,如果出现错误则返回错误代码到参数RET_VAL中,读取数据的目标范围则由参数RECORD定义。如图3和图6所示,本案中程序段“DPSTATE”的参数LADDR定义了读取数据的来源地址Input_008_bytes_1,即PKW字对应的IO地址;而参数RECORD定义了读取数据的目标范围数据块DB16.dbx0.0 byte 8。因此该程序段的含义即是指将PLC组态的IO域第IW52到第IW59个字的数据输入到DB16数据块的第0到第8个字区域中。同理,其它IO也可以采用DPRD_DAT命令批量读写,提高程序读写效率。
   当实现了变频器控制和过程数据读写后,即完成了PLC主体程序的编写。至此,就完成基于PROFIBUS-DP的西门子S7-1500 PLC与ACS5000变频器通讯的全部配置,实现了西门子PLC对ACS5000的上位监控。
  6  结束语
   本例基于PROFIBUS-DP实现了西门子S7-1500 PLC与ABB ACS5000变频器之间的通讯,验证了西门子S7-1500 PLC在中压变频器中的应用,实现了对ACS5000变频器稳定的远程控制,并成功应用于压裂泵送设备的变频驱动控制。由此可以得出基于PROFIBUS-DP协议的西门子系列PLC与ABB ACS系列变频器通讯的一般方法:即先选择合适的变频器、PLC、适配器、网关等硬件;再分别对变频器、适配器、网关和PLC组态进行配置;最后编写正确的PLC控制与数据采集程序。同时也可以总结出两者建立通讯过程中的几个要点:即先确保变频器参数配置正确,选择相应的数据源;其次选择合适的PPO报文类型,将所需读写的参数配置在正确地址;最后在PLC程序中组态正确范围的数据存储区,即可实现两者间的通讯。
  参考文献:
  [1]吴燕翔,成   萍. 西门子PLC与ABB变频器之间通讯的实现[J]. 铝加工,2007(6):22-24.
  [2]张   芬,张   杰. 基于PCS7的西门子PLC与ABB变频器的通信[J]. 自动化应用,2015(8):89-90.
  [3]陆   彬,许君锋. 西门子PLC和ACS5000变频器在主排风机中的应用[J]. 科技创新导报,2016(10): 70-72.
  [4]PROFIBUS适配器模块NPBA-02安装启动指南[Z]. 北京:北京ABB电气传动系统有限公司,1999.
  [5]ACS800标准控制程序固件手册[Z]. 北京:北京ABB电气传动系统有限公司,2010.
  [6]ACS5000-INUMedium Voltage AC DrivesSignal and Parameter Table[Z]. ABB Switzerland Ltd,2017.
  [7]崔   坚. SIMATIC S7-1500与TIA博途软件使用指南[Z]. 北京:机械工业出版社,2016.
  作者简介:
  张   力(1991-),工程师, 2014年毕业于西南石油大学自动化专业,现从事油气田压裂装备和海洋石油装备电气系统设计与集成工作。
  收稿日期:2019-10-19
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