PLC与变频器间的通信实现

摘要：随着科技的不断进步，现代化发展水平的提高，变频器在社会科学领域及其他领域应用广泛，所以，人们对其通信问题的关注度和重视度也逐渐提高， PLC与变频器的通讯的实现，做出了很多的研究，为增强该控制系统的稳定性、可靠性以及易维护性做出了很多的努力，为降低系统工作风险提高系统的响应速度及控制精度，对变频器的通信协议深入的进行深刻的研究，在编制控制程度时更加注重合理化，有效实现PLC与变频器通讯问题。本文以PROFIBUS总线PLC与变频器的通讯的实现进行了详细的分析与探讨，以供参考。

关键字：PLC；变频器；通信实现；

中图分类号：E271文献标识码： A

前言

如果想要将现场层用于控制多台电动机的变频器用 PLC 来控制，实现工业自动化控制系统，从而实现控制系统的自动化，对系统性能及运行状态的实时有效的监控和各层设备间的信息的共享，就要研究各层设备的通信技术， PLC 和变频器之间的通信技术主要有 USS 和 PROFIBUS 现场总线通信技术，当前，在现场总线应用中，应用最为广泛的当属PROFIBUS，之所以得到如此广阔的发展空间主要是因为其能够满足生产过程中所需要现场数据可以随时存取，这一要求在技术实现中是非常关键的点，它不仅能够对传感器以及执行器领域所需的通讯达到覆盖要求，还可以构建单元机领域中所有网络通讯的功能，具有多样性。PROFIBUS现场总线不是开放式的现场总线，更不会对生产厂家产生依赖性，由于其具有多种自动化设备，可以实现接口通信的标准化和统一化，所以，其在社会上被广泛应用。

一、PLC与变频器的原理

（一） PLC的原理

PLC即可编程逻辑控制器，是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置，近年来在工业生产自动化领域得到了广泛应用。PLC的硬件系统主要由中央处理单元、输入输出电路、存储器等构成，软件系统主要由系统程序和用户程序构成。PLC的主要功能为顺序控制，工作过程可依次分为输入采样、程序执行、输出刷新，其控制系统如(图1)所示。

循环、连续扫描是PLC的工作方式，可以有效避免继电器控制系统中出现时序失配、触点竞争等问题。在输入采样环节，PLC利用扫描获取所有输入端的通断状态，之后将其存入映像寄存器。在程序执行环节，PLC按照一定顺序对程序指令进行逐条执行，利用输入、输出映像寄存器从而获取元件通断状态，并按照用户程序进行运算，在输出映像寄存器中存入运算结果。在输出刷新环节，输出锁存器会接收到输出映像寄存器中的信息，将其转化为控制信号对外输出，进而驱动输出设备。以上的工作过程为PLC循环扫描中的一个扫描周期，一般情况下，扫描周期为几ms到几十ms。

（二） 变频器的原理

所谓的变频器具体是指能够将50-60Hz的工频电源转变为各种频率的交流电源，实现电动机变速运行的装置。其结构如图2所示。变频器的控制电路为高性能的微处理器，其利用A/D和D/A接口接收相关信号并加以处理，具体包括启停及正反转操作控制信号的处理。通常情况下，在PLC自动控制系统当中，PLC输入至变频器的信号为模拟信号，该信号经过A/D转换成数字信号后传输会给微处理器。虽然变频器的种类相对较多，但其基本工作原理却大致相同，控制方式主要有以下几种:矢量控制、转矩控制、转差频率控制、协调控制等等。

二、PLC与变频器之间的通信协议

在传统的继电器控制电路，控制速率太慢、控制过程繁琐、存在机械误动外，这种控制系统的硬件结构相对比较庞大，对现场空间的要求比较多，对车间环境的要求也是比较高的。工业生产要求的高效率、大规模、低成本，继电控制不适用于工业大规模生产。若要将现场层用于控制多台电动机的变频器用车间级的PLC 来控制，实现完全自动化工业控制系统，对系统性能及运行状态的实时有效的监控和各车间级实现信息共享，就要研究各层设备的通信技术，本文主要以车间级 PLC 与设备级的变频器为主研究自动化控制系统。

三、PLC与变频器的USS通信

（一） USS通讯协议

USS 是主从访问方式的通信协议，它规定了通过 USS 协议可以有一个主站和最多 31个从站。在 USS 协议中主站和从站有两种不同的访问方式。一种方式是：主线上的每个从站都有各自的站地址，主站主要靠从站的站地址来识别和访问各个从站，而从站也依靠站地址来接收主站传送的信息并做出相应的回应。另一种访问方式是广播通信方式，主站可以同时为许多甚至所有的从站发送报文信息，从站在对收到的报文信息作出相应的响应后，可不回送报文。

（二）使用USS这种协议的特点：

1、采用总线电缆通信，对硬件设备的要求低，减少了设备间的布线。

2、如果要改变控制功能，无需重新连接线路，只要在控制室中，将相应的控制程序重新进行下载，即可实现了全自动控制。

3、可以根据实际需求和现场条件所选用的不同传输介质，通过串行接口设置或改动传输装置的参数。

4、采用数字化的信息传送方式，提高了通讯速率和可靠性，避免了干扰和漂移问题。

5、一般多用 RS-485 屏蔽双绞线作为通信介质，最远传输距离可达 1000 米，对于较大的系统来说，减少了电缆的数量，降低了工程费用。

6、传输速率可达到 187.5Kbps，有相对较高的传输速率。

（三）USS通信协议的适用场合

通过这样的通讯，就可以用一根总线将控制室的 PC 机、PLC 和来自现场层的设备变频器及电动机连接成一个整体，并只用操作 PC机就可以实现对电机的各种操作和监控，并节省了资源，降低了成本。在 S7-1200 PLC 与MM440 变频器的 USS 通信协议中，由于 USS通信协议本身的特点，每个 S7-1200 PLC 最多可带 3 个通信模块，而每个通信模块最多可支持16个变频器，所以最多可支持48个变频器。所以采用 USS 通讯协议就能够以低廉的成本实现 PLC 对变频调速器控制的小型的自动化控制系统。

四、基于 PROFIBUS总线PLC 与变频器通讯的实现研究

（一）PROFIBUS现场总线的定义

PROFIBUS现场总线的英文缩写是Process Fieldbus，其主要是国际认可的一种现场总线的标准，它能够给多种数据设备进行串行现场总线技术和功能下定义，使这些所得数据能够从传感器或是执行器广泛分布到车间层，将数据具有全面化特点。PROFIBUS现场主线主要是用ISO网络参考模型和OSI网络参考模型作为基础，并提出了PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及PROFIBUS-FMS这三种具有兼容性质的通信协议类型，其三者之间不仅具有共同性和特点，而且各自又有不同的个性，各有侧重的进行应用，因此能在一条总线上做混合型使用。

（二）PROFIBUS总线PLC实现与变频器通讯

1、 主要系统内部构造

本文将以DANFOSS FC300型号的变频器举例，主要分析其与S7-300型号的PROFIBUS现场总线PLC之间实现通讯。以S7-300型号的一整套PLC主站和型号为FC300的一台变频器以及TP270触摸屏一个，为系统的主要配置，应用PROFIBUS-DP网络来将S7-300的PLC和DanfossFC300变频器之间实现通讯，并且通过PROFIBUS-DP让变频器控制电机，无论是开关还是调节速度，将变频器在实际情况中的运行状态通过传输到PROFIBUS网络，然后数据讲显示在触摸屏上，以此来实现控制电机运行的目的。

中央处理器作为一级DP站，通过中央处理器将其内部设置的PROFIBUS-DP接口和PROFIBUS总线连接在一起，用来读取全部分布在总线上的数字量以及模拟量，并且有效的控制其传输。而触摸屏作为二级的DP主站，主要具有进行操作系统和监视等功能。从站主要由变频器和PROFIBUS通讯模块所组成，主要用来完成主站PLC远程控制电机变频。

2、应用变频器的具体参数设置

本文所针对的频器型号为FC300来做进一步研究，其是由丹麦丹弗斯公司所生产的，是一款变频调速设备，是当前的新型产品，汲取了以前5000系列的变频器良好的总线通讯技术之精华，增加了一些灵活性，可作为全球共用总线PROFIBUS的从站，直接挂载于PROFIBUS网络中，能够满足过程控制中所要达到的要求。

（1）在S7系统中设置FC300参数;PROFIBUS总线PLC与变频器的通讯区应用有着密不可分的关联性，首先要对通信报文进行挑选，选择PP02，S7系统会自动将地址进行预设，把FC300分到I/O地址。当需要对FC300参数进行读写时，那么区域选定为PCV区，但是，有种情况除外，那就是如若不仅需要设定值以及控制字，还需要传输很多别的数据，此时则要选择PCD区。在选项中有1，PCD以及PCV区域数据呈现连续性，且同有调用SFC14和SFC15(WHOLECONS.2)及PCV数据独有连续性，无需调用SFC14和SFC15(WORD CONS.)，但是本文中主要采用的是选项中的2，WORDCONS。。

在选项中2，WORD CONS。中，对通信报文的选择一般是PP02，S7系统将自动把地址进行预设，把FC300分到I/O地址。进行双击FC300，直接会进入其属性对话框，此时，在。ParameterAssignment。-->。Device-specific parameters。对变频器进行最初设置，选择变频器可通过网络配置参数选项即可，英文标志为。Enable Autoconfig。系统定义，控制字CTW选项将把在P915/0 PUN控制CTW、在P915/1 PUN电机实际的速度其百分比以及在P916/0 PUN状态字STW根据PLC用来设定参数，能够控制变频器的良好运行，PLC能够通过变频器读取到实际状况下所得参数，即状态字STW选项。通过读取CTW状态字的概念可以得出，要想良好控制电机正常正转运行，其参数需要设置为。W#16#047C。，而反转的参数设置为。W#1 6#84 7C。，想要让其停止运行的话， 则需要设置为。W#16#0400。。

在考虑电机加速时间、减速时间以及最大参考值和最小参考值时，都可在选项中进行设置，并且可依据其实际的运行状况和控制其需要的条件来进行参数配置。在P916/1中PUN电机的主要数值是通过变频器所读取出的。Main Actual Value。，在P916/2中PUN电机的电流数值等是通过变频器所读取出的。Motor Current。。

(2)设置变频器的参数;在进行组态后，需要用PLC通过运用PROFIBUS总线来实现对变频器的控制，而且变频器同样也需要设置一定的参数才能加以完成，已达到所设定的控制目标，因此，对进行过初始化后的变频器设置参数时需要注意以下几点:一是设置P801命令源，主要是设置数字亦或控制字，也可以仅是控制字即可;二是设置P810控制字格式，主要设置为FC或是Profidrive;三是设置P918站号，主要设置为数字4，这是由于需要和硬件组态时必须保持一致性。

3、 网络通信编程

第一，要进行建立数据块。需要读写的数据主要是在DB数据块中，而且其与硬件组态设置的I/O地址的大范围或者是小范围划分出均等的区域，这样有利于管理以及对应关系的建立。所以，在建立DB1数据块时，要把数据块中所含有的数据地址和FC300中的两个数据区(PCD、PCV)对应上，实现对变频器的控制，例如，控制其开关、调节速度、分闸、合闸、故障复位和电机电流等参数都需要得到相应的数据。第二，进行设置通信程序。主要是通过在S7系统中进行设置FC300参数时，所应用的。2，WORD CONS。，其通信报文的选择是PP02，S7系统会自动将地址进行预设，把FC300分到I/O地址中，并且是无需调用SFC14和SFC15的，直接能够实现PLC和变频器之间的读写功能，仅需将系统自主分为PQW272，来与控制字CTW，参数。W#16#47C。实现控制电机正常正转运行。I/O地址中的PQW272，与电机实际速度的百分比相对应，能够通过对DB1.DBW0中的数据进行修改，来达到调整电机实际状况中运行速度的目的。I/O地址中的PQW276可以依据硬件配置中所将FC300的设备设置的参数中在P915/2设定的电机加速时间。Ramp up Time。

依据硬件配置FC300中所设定的设备设置参数，I/O地址中的PQW272，其与在P916/0的状态字STW相对应，PLC通过读取变频器中实际运行状况的参数，将数据存放于DB1.DBW10里。并且可以得出，I/O地址中的PIW274与PIW276地址是分别相对应的。

四、DeviceNet总线实现与变频器通讯

DeviceNet协议是一个简单、廉价而且高效的协议，适用于最低层的现场总线，例如：过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。除了提供OSI模型的第7层（应用层）定义之外，DeviceNet规范还定义了部分第1层（物理收发器）和第0层（传输介质）。图为DeviceNet在ISO模型中的相关层。对DeviceNet节点的物理连接也作了清楚的规定。连接器、电缆类型和电缆长度，以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。

DeviceNet网络最大可以操作64个节点，可用的通讯波特率分别为125kbps、250kbps和500kbps三种。设备可由DeviceNet总线供电（最大总电流8A）或使用独立电源供电。 DeviceNet网络电缆传送网络通讯信号，并可以给网络设备供电。宽范围的应用导致规定了不同规格的电缆：粗电缆、细电缆和扁平电缆，以能够适用于工业环境。

DeviceNet设备的物理接口可在系统运行时连接到网络或从网络断开，并具有极性反接保护功能。可通过同一个网络，在处理数据交换的同时对DeviceNet设备进行配置和参数设置，这样使复杂系统的试运行和维护变得比较简单；而且现在有许多的高效工具供系统集成者使用，开发变得容易。

DeviceNet使用"生产者-消费者"通讯模型以及CAN协议的基本原理。DeviceNet发送节点生产网络上的数据，而DeviceNet接收节点则消费网络上的数据；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。

六、变频器运行时对PLC干扰应注意的问题

变频器运行时会对周围电气设备（包括 PLC）产生较强的电磁干扰， 同时变频器主电路断路器等开关器件动作时也会影响 PLC 的正常工作。 为防止变频器运行时对 PLC 干扰#变频器与 PLC 相连接时应该注意以下几点：

（一）对 PLC 本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且，应注意避免和变频器使用共同的接地线#且在接地时使二者尽可能分开。

（二）当电源电压波动大#谐波成分多时，为抑制谐波干扰，应在 PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器或者隔离变压器。如果干扰仍严重#应考虑在变频器主回路中接入电抗器、专用变压器和噪音滤波器等措施。

（三）变频器和 PLC 安装在同一电控柜时，应尽可能使与变频器有关的电缆和与 PLC 有关的电缆分开安装，尤其是连接变频器的强电电缆与连接PLC的弱电电缆更要分开安装。

总之，PLC技术以其自身诸多的优点被广泛应用于工业领域，本文重点对该技术在变频器中的应用进行了研究。在具体应用中， PLC与变频器之间通讯的实现工业的发展是十分重要的。这就要求我们在未来一段时期要重点加大对PLC与变频器之间实现通讯的研究力度，并在现有的基础上进行不断改进和完善，使其能够更好地为工业生产服务，这对于促进我国工业发展意义重大。

参考文献

[1]崔文,孟彦京. ABB PLC与变频器的Profinet通讯系统设计[J]. 变频器世界,2013,（10）.

[2]张杰. PLC与变频器之间的Profibus-DP通讯[J]. 科技与创新,2014,（3）.

[3]郭沛,陈一飞. 基于变频器的参数获取及其在PLC中的实现[J]. 控制工程,2014,（5）.

[4]杜文军. PLC对变频器的控制设计[J]. 内蒙古石油化工,2013,（1）.

[5]李伟,王晓洋. PLC与变频器连接应用注意事项[J]. 科技视界,2013,（7）.

[6]刘冰. 论PLC与变频器的通信[J]. 职业,2012,（6）.

[7]徐新力,岑伟明,刘浩波,董秀芬. PLC与变频器通讯控制的设计[J]. 现代机械,2012,（8）.

[8]王樱. 分析基于PLC与变频器通信的实现[J]. 科技传播,2012,（12）.