电气C基础技术 21

PLC与G120变频器的PROFINET通讯控制立德修能

知行合一一、任务描述

使用PROFINET通讯方式，使变频器控制电动机正反转运转及调速，并通过PZD过程通道读取G120变频器的状态及转速。要求将变频器和S7-1200PLC接入同一以太网，变频器选择“标准报文1，PZD2/2”的通讯协议，根据该报文下变频器的常见控制字实现对变频器的PROFINET通讯控制。立德修能

知行合一二、学习目标1.知识目标了解变频器定义、作用和组成。掌握西门子G120变频器的命名规则、控制方式、面板操作方式等相关知识。2.技能目标能够查看变频器手册，完成参数功能查询及设定。会设计三相异步电动机的G120变频器PROFINET通讯控制系统，能够绘制出对应的I/O接线图并完成接线，并能根据控制要求编写梯形图程序。立德修能

知行合一3.思政目标培养学生观察、理解和分析解决问题的能力，激发学生投身工控行业的自豪感、责任感和使命感；通过具体任务的设计实践过程，使学生技能得以锤炼，工匠意识得以深化，敬业、精益、专注和创新的职业精神得以养成；实践操作中的6S规范约束及引导旨在培养学生的安全意识及责任担当。立德修能

知行合一三、相关知识1.变频器简介

1）变频器定义、作用和组成

变频器(Variable-frequencyDrive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。简而言之，变频器是利用电力半导体器件的通断作用，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。立德修能

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变频器通常由主电路和控制电路组成，如下图所示。主要包括整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等。立德修能

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2）变频器的分类

按照用途分类：通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

按变频器调压方法：PAM变频器、PWM变频器。按变频器的控制方式分类：分恒压频比控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。按电压等级分类：高压变频器（3KV、6KV、10KV）、中压变频器（660V、1140V）和低压变频器（220V、380V）。按电压性质分类：交流变频器(交-直-交、交-交)、直流变频器(直-交)。立德修能

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3）变频器的工作原理

三相电源或单相电源接入变频器的电源输入端，经二极管整流后变成脉冲的直流电，直流电在电容或电感的滤波作用下变成稳定的直流电，该直流电施加到由6个开关器件(如IGBT)组成的逆变电路，6个开关器件在控制电路发出的触发脉冲作用下，不同相的上下臂两个开关器件导通，从而输出交流电源给负载供电。通过调节不同相的上下臂两个开关器件的触发时刻和导通的时间来改变输出电源的电压和频率大小。

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运算电路是将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率；

电压、电流检测电路是将主回路电位隔离并检测电压、电流信号；

驱动电路是根据运算结果输出的脉冲信号驱动主电路的开关器件的导通和关断；

速度检测电路是将装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转；

保护电路主要检测主电路的电压、电流等，即当发生过载或过电压等异常时，从而保护逆变器和异步电动机，避免其受到损坏。立德修能

知行合一2.西门子G120变频器

西门子SINAMICSG120变频器是西门子新一代变频驱动平台，包括三个系列的产品：V系列、G系列和S系列。V系列提供用于运动/伺服控制的产品；G系列属于通用型变频器，可用于一般的调速控制；S系列属于高端型变频器，既可用于速度控制，也可用于运动/伺服控制。

SINAMICSG120变频器由控制单元（ControlUnit）和功率模块（PowerModule）组成。控制单元用来控制并监测与其连接的电动机。立德修能

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G120系列变频器的功率模块和控制单元外观如下图所示。立德修能

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G120的控制单元包括CU230系列、CU240系列和CU250系列。以CU250S-2PN为例，介绍一下控制单元的命名规则：

CU:ControlUnit的缩写，表示“控制单元”；

250：表示系列号；

E：经济型；B：基本型；S：高级型；T：工艺型；P：风机水泵型

2：表示SINAMICS开发平台；若名称中没有“2”则表示MicroMaster开发平台；

PN：支持ProfiNet总线；其他类型包括：HVAC（USS,Modbus-RTU）、DP（Profibus-DP总线）、IP（Ethernet-IP协议）、DEV（DeviceNet总线）、CAN（CANopen协议）；如果控制单元集成了故障安全功能，则会在名称后面加上“F”，比如CU250S-2PN-F。

1）G120变频器控制单元的命名规则立德修能

知行合一2.操作接线端子连接的部件（如按钮和电位器）；1.操作面板上的按键；3.复合操作（1和2的结合）。

2）直接操作变频器的三种方式立德修能

知行合一2.以模拟量方式控制；1.以开关量方式控制；3.以通讯方式控制。PLC变频器Q0.0Q0.1Q0.2……启动多段速端子停止……变频器PLC变频器故障信号变频器运行信号电机电流……RS485接口Modbus-RTU接口PROFINET接口……

3）PLC控制变频器的三种方式立德修能

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G120变频器的控制单元上，可以安装两种不同的操作面板：IOP（IntelligentOperatorPanel的缩写，翻译为“智能操作面板”）和BOP（BasicOperatorPanel，翻译为“基本操作面板”）。

4）G120变频器的面板操作IOP-2操作面板BOP-2操作面板立德修能

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将BOP-2操作面板安装在控制单元上，并给变频器通电后，面板液晶屏点亮，上面会显示变频器的一些状态，参数等信息，BOP-2操作面板通电后的菜单如下图所示。立德修能

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BOP-2的面板功能说明如下图所示。立德修能

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BOP-2的图标及按键功能描述如下表所示立德修能

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SINAMICSG120的控制单元CU250S-2PN支持基于PROFINET的周期过程数据交换和变频器参数访问。PROFINETIO控制器可以将控制字和主给定值等过程数据周期性的发送至变频器，并从变频器周期性的读取状态字和实际转速等过程数据。

5）G120变频器的PROFINET通讯

提供PROFINETIO控制器访问变频器参数的接口，有两种方式能够访问变频器的参数：周期性通讯的PKW通道（参数数据区）：通过PKW通道PROFINETIO控制器可以读写变频器参数，每次只能读或写一个参数，PKW通道的长度固定为4个字。非周期通讯：PROFINETIO控制器通过非周期通讯访问变频器数据记录区，每次可以读或写多个参数。立德修能

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G120变频器端子和现场总线接口的功能可以设置，用端子控制的方式控制变频器。为了避免逐一地修改端子，可通过设置参数P0015（驱动设备宏指令）同时对多个端子进行设置。

6）G120变频器端子控制

方式1：通过PLC1200数字输出端子控制实现G120变频器宏程序1-双方向两线制控制两个固定转速，宏程序1的端子定义如下图所示：立德修能

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方式2：通过PLC1200数字输出端子控制实现G120变频器宏程序12-端子启动模拟量调速，宏程序12的端子定义如下图所示：

接下来，我们在G120变频器参数手册中找到参数r0054（控制字），可以看到该控制字有16位，如下图所示，而每一位的含义和参数设置如下表所示：立德修能

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每一位的含义和参数设置如下表所示：控制字位含义参数设置0ON/OFF1P840=r2090.01OFF2停车P844=r2090.12OFF3停车P848=r2090.23脉冲使能P852=r2090.34使能斜坡函数发生器P1140=r2090.45继续斜坡函数发生器P1141=r2090.56使能转速设定值P1142=r2090.67故障应答P2103=r2090.78，9预留

10通过PLC控制P854=r2090.1011反向P1113=r2090.1112未使用

13电动电位计升速P1035=r2090.1314电动电位计降速P1036=r2090.1415CDS位0P0810=r2090.15常用的控制字：启动：047FHex停车：OFF1:047EHex；OFF1:047CHex；OFF1:047AHex反转：0C7FHex故障复位：04FEHex立德修能

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常用变频器参数说明及参数设定值如下表所示：参数号功能设定值备注说明P0100电机标准IEC/NEMA0INNVOLT设置成380VP0300选择电机类型1选择INDUCT选项P0304电机额定电压380

P0305电机额定电流参考电机铭牌

P0307电机额定功率参考电机铭牌

P0310电机额定频率50

P0311电机额定转速参考电机铭牌

P1080最小转速0

P1082最大转速1300最大转速<电机铭牌数值P1120斜坡函数发生器斜坡上升时间10.0

P1121斜坡函数发生器斜坡下降时间10.0

P1900电机数据检测及旋转检测0“0”为关闭检测立德修能

知行合一1.控制系统设计

将G120变频器、PLC1200和编程电脑用集线器接入同一网段，变频器的输出端还是接到子任务1所用的电机上。为变频器选择“标准报文1，PZD2/2”的通讯协议，该报文下，变频器的常见控制字如右表所示。四、任务实施立德修能

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根据以上分析，我们可以选用西门子S7-1200系列中CPU1214CDC/DC/RLY和控制单元为CU250S-PN，功率模块为PM-240的G120变频器。主要设备清单如下表所示：序号名称型号与规格单位数量备注1三相交流异步电机YS801260W台1可根据实际情况选择电机2交流接触器CJX2-1210个1

3PLC西门子S7-12001214CDC/DC/RLY台1可根据实际情况选择继电器输出型PLC。4G120变频器控制单元CU250S-PN功率模块PM-240台1变频器与PLC通过PROFINET总线通讯立德修能

知行合一2.I/O分配

根据PLC输入/输出点分配原则及本案例控制要求，对本案例进行I/O地址分配，分配表如下表所示。输入输出中间变量地址作用地址作用地址作用IW68变频器状态字QW64变频器控制字MW100设置变频器控制字IW70实际转速QW66设定转速MW102设置电机转速

MW104读取变频器状态字

MW106读取电机转速立德修能

知行合一3.系统接线图G120变频器PROFINET通讯控制的系统接线图如下图所示。立德修能

知行合一4.创建工程项目

双击桌面上的

图标，打开博图编程软件，在Portal视图中选择“创建新项目”，输入项目名称“PLC与变频器Profinet通讯”，选择项目保存路径，然后单击“创建”按钮，创建项目完成。接下来分步骤添加设备并完成设备组态：立德修能

知行合一STEP1:进入新建项目的项目视图，双击“添加新设备”，选择“SIMATICS7-1200下的CPU1214CDC/DC/Rly6ES7214-1HG40-0XB0版本V4.4”，点击“确定”，如右图所示。立德修能

知行合一STEP2:在硬件目录下，找到Otherfielddevices→PROFINETIO→DRIVERS→SIEMENSAG→SINAMICS→Headmodule→SINAMICSG120CU250S-2PNVECTORV4.7，双击，将变频器控制单元添加至设备组态，如右图所示。立德修能

知行合一STEP3:点击变频器上的蓝色“未分配”字样，在下拉列表中选择PLC_1.PROFINET接口_1，完成与PLC的网络连接，如下图所示。立德修能

知行合一STEP4:双击变频器模块，在硬件目录中选择“Submodules”——标准报文1，PZD-2/2，如下图（左）所示。双击将报文添加至设备组态中，然后在“设备概览”中查看报文对应的输入、输出地址。这里可以看到输入地址I为68----71，输出地址Q为64----67，如下图（右）所示。立德修能

知行合一STEP5:点击S7-1200上的接口，在Profinet接口中更改以太网地址，添加新子网PN/IE_1,重设IP地址，前3处和电脑（04）保持一致，可设置为，并将设备名称更改为S7-1200，如下图（左）所示。并在防护与安全，连接机制中勾选put/get通讯访问，如下图（右）所示。立德修能

知行合一STEP6:双击变频器图标，选中变频器的网络接口图标，将变频器的设备名称改为“G120”。IP地址分配为（与PLC在同一个网段）,如下图所示。立德修能

知行合一STEP7:在线访问设备，找到G120变频器，然后点击“在线并诊断”，在“功能”---“命名”菜单下，将PROFINET设备名称改为g120，点击“分配名称”。在“分配IP地址”菜单下，设置IP地址为，点击“分配IP地址”，如下图所示。立德修能

知行合一STEP8:在线访问菜单下，点击G120变频器——参数。切换到参数视