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基于WinAC的变频器数据通讯与在线监测

1 引言

  变频器是交流调速中普遍使用的电气传动基本设备。随着pc机技术的成熟和发展,基于pc的电气传动自动化集成解决方案被提出,并逐步在各种工业控制场合得到应用。本文设计了基于siemens的pc控制器winac集成环境下的profibus-dp通讯网络,实现了上位机与siemens mm420变频器的数据通讯与在线监测技术。

2 系统组成

  在线监测系统硬件结构图如图1所示。

图1 系统结构图


  系统以pc机(配置cp5613通讯卡和winac)作为主站,mm420变频器安装profibus通讯模块为从站接入profibus-dp,这样pc机既作为plc的软控制器,又可作为监控、管理计算机,实现一机多用。

  每个变频器的从站地址可在工控机上由软件设定,ppo类型的选择和具体运用有关,如果需要读写mm420参数,则需4pkw区,如果除设定值和控制字以外,还需传送其他数据,则要选择4pzd。本例选1型,地址分配为4pkw+2pzd(512~523)。变频器参数的设置如表1所示。



表1 变频器参数设置

3 mm420变频器的数据区结构

  如表2所示,变频器的通讯区分为两个区域,即pkw区(参数识别id-数值区)和pzd区(过程数据)。



表2 变频器的数据区结构

  pkw区说明参数识别id-数值(pkw)接口的处理方式。pkw接口并非物理意义上的接口,而是一种机理,这一机理确定了参数在两个通讯伙伴之间(例如控制装置与变频器)的传输方式,通过pkw区可以读写变频器的参数值从而改变变频器的工作状态。通讯报文的pzd区是为控制和监测变频器而设计的,其数据根据传送方向不同而不同。当数据由主站传向变频器时,pzd区由控制字(stw)和频率设定值(hsw)构成,当数据由变频器传向主站时,pzd区返回变频器的状态字(zsw)和实际速度值(hiw)。pkw和pzd共有5种结构形式,即ppo1,ppo2,pp3,ppo4,ppo5,在系统组态时要对ppo进行选择,每一种类型的结构形式如下所示:

ppo1:4pkw+2pzd(共6个字);
ppo2:4pkw+6pzd(共10个字);
ppo3:2pzd(共2个字);
ppo4:6pzd(共6个字);
ppo5:4pkw+10pzd(共14个字)。



4 winac与变频器通讯程序

  4.1 winac控制软件包

  winac是西门子公司近年新推出的基于pc的控制器, 它是一套应用于windows操作系统的软件包,它将控制、数据采集、通讯、人机界面及其它技术完整地集成在一台pc机上,使得控制系统硬件更加精炼。winac的功能不仅仅限于在pc机上实现plc的功能,同时它在plc与pc间实现完美的集成,突破了传统plc开放性差、硬件昂贵、开发周期长、升级困难等束缚。它充分利用了pc机的软硬件资源,在面对各种不同的生产需求时,既具有了良好的灵活性、适应性、扩展性,又保持了plc原有的可靠性。winac提供强大的计算功能,与工业过程数据之间建立起一条工作数据链路,使上位机能够实时处理过程数据,完成复杂的测量控制与故障分析计算。winac能在过程控制和pc应用程序之间管理数据信息流量,允许高效、简便地访问和修改过程数据。winac与s7系列处理器完全兼容,其编程采用统一的simatic编程工具,程序既可以用于winac,也可用于s7系列处理器。借助于simatic控制软件可以在profibus-dp的分布式i/o站上使用s7 300功能模块,因而采用winac控制器是一个合适而且经济的解决方案。

  winac最突出的优点是可以充分利用pc机的软硬件资源,在自动控制领域实现了多功能集成控制;即将开闭环控制、运动控制、视频系统、人机界面、数据采集、数据处理、生产管理、网络通信等等一系列的自动化控制和通信任务在统一的pc机平台上集成,并且将生产控制过程与办公信息管理联接了起来。winac软件分类有:winac basis、winac rtx(real time extent)、winac slot和 winac odk;本试验系统使用的是winac rtx4.0,是面向高速和精确时间要求的控制任务的基于pc的自动化解决方案。它采用了微软认证的精确时钟解决方案提供商venturcom的实时内核,即rtx(real time extent)。rtx作为wondows系统的扩展实时子系统,满足了控制任务对高速和精确的时间的要求,并将控制程序及profibus-dp通信驱动程序运行在rtx扩展内核上。由于rtx扩展内核在windows nt操作系统之外,即使windows nt蓝屏死机时,也不会对控制和通信产生影响。并通过西门子的cp5613通信卡和输入输出硬件模板连接,来完成对各个测点的监控。

4.2 winac与mm420变频器通讯

  系统组态完成后,为了实现winac对变频器的控制,要编写必要的通讯程序,下面具体说明通讯程序的编写。

  由于在s7中用装载(l)指令访问i/o区时最多只能读取4个连续的字节,因此需要在主程序中调用功能块sfc14(dprd_dat)和sfc15(dpwr_dat)来读写变频器的参数。

  对pkw区的读写,plc对pkw区数据的访问是同步通讯,即发一条信息,得到返回值后才能发第二条信息。程序中,将db1.dbx24.0开始的8个字节写入从站,从站数据读入db1.dbx8.0开始的8个字节。w#16#208是硬件组态时pkw的起始地址。420变频器参数的读写是通过对pkw区的pke写入不同数值区分的,具体情况参阅西门子变频器的参数设置,以下举例说明。

  (1)读写0002~1999的参数:

如读参数p0700,700=2bc(hex),
plc pkw输出=12bc,0000,0000,0000
;1为读请求
plc pkw 输入=12bc,0000,0000,0006
;返回1表示参数为单字长,值为6
如写参数p1082, 1082=43a(hex)
plc pkw 输出=343a,0000,41f0,0000
;3为写双字请求
41f00000(hex)=30.0(real)
plc pkw输入=243a,0000,41f0,0000
;返回2表示参数为双字长,确认修改完毕。

  (2)读写2000-2999的参数:

如读参数p2010, 10=a(hex)
plc pkw输出=100a,8001,0000,0000
;1为读请求, 8表示参数号在2000~3999范围, 1表示数组中第一个参数。
plc pkw输入=100a,8001,0000,0006
;返回1表示参数为单字长,值为6

  (3)对pzd区的读写:


  由于采用2pzd方式,因此pzd的读写不需要调用sfc14、sfc15,直接采用传送指令l、t读写数据。

l db1.dbd 0
t pqd 520
l pid 520
t db1.dbd 4

  程序中变频器的控制字和频率设定值存储在db1.dbx0.0开始的4个字节内,通过pqw520、pqw522传入变频器,db1.dbw0先设为047e再变为047f,变频器以设定的频率值启动运行;变频器的状态字和实际速度值从piw520、piw522读入,存入db1.dbx 4.0开始的4个字节内。



  4.3 变频器的在线监测  

  当变频器与上位机的网络通讯组建后,即可在上位机上编制hmi,利用mm420变频器提供的关于电机及装置的大量运行和统计数据,其可供用户观察和诊断之用。该数据可由用户程序读取,并可传送给相应的操作员通讯和监视系统。这样,各种运行和统计信息可在控制室内显示。

  mm420变频器有关当前运行状态有装置开(on)/关(off),实际相电流,逆时针,顺时针,速度信号,闭合,严重警告,一般故障等信息。也可设定的电流限制使过程工程师了解有关系统内的临界状态。通过发出临界运行状态的信号减少故障可设定的电流限制使过程工程师了解有关系统内的临界状态。例如,当一电流低于电流设定值下限时,这可能意味着输送机皮带断裂。搅拌机的过载例如可通过显示超过电流上限的字样得到快速检测。为避免机器的过载跳闸,过程工程师可采取准确步骤来改变工作过程。

  因为所有关于具体电机及装置状况的统计数据能迅速地从变频器传送到上位机,故当变频器出现其他临界运行状态如:(1)电流不平衡;(2)过载警告/脱扣;(3)热敏电阻电动机保护警告/脱扣;(4)接地故障警告/脱扣;(5)堵转保护;(6)上限/下限电流响应警告/脱扣等临界状态时,技术人员可及时发现,这样缩短了维护时间,维护时间间隔可得到延长。

  对于变频器所出现的故障,有故障号(r947)、故障值(r949)、故障列表(r951)、故障数目(r952)和故障时间(r782)可用,其中故障号是从f001到f255,每一个故障号都对应有故障说明和解决措施在hmi上显示,如出现f081故障,系统将显示如表3所示信息。



表3 故障数据显示

  mm420变频器本地记录起动次数和过载脱扣次数,合计运行小时数并计算上次脱扣的电流。所有数据均被存储在mm420变频器内的非易失性存储器中。工程师可在上位机直接将这些打印和进一步分析。mm420变频器处理器功能的正确与否将得到永久性监视。如果出现故障,mm420变频器将负荷切换到调整、安全状态(或者保持运行状态-单稳态或双稳态方式)。自监视在运行中也可测试该功能使mm420变频器增强了安全性并改善了监视特性。mm420变频器的运行情况可在运行中进行检查,无需关闭电动机。这既节省时间又避免不必要的运行中断。

5 结束语

  通过上述介绍,实现了profibus-dp网络环境下winac与变频器间的通讯,通过参数的读写可以实现变频器的启停、调速、在线查看变频器状态、实际运行速度等功能,具有很大的实用性。

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