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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~Mot 1LA7083-4AA10

额定频率 功率 接线方式 额定电压 额定电流 电压范围 电流范围

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。

50Hz 0.75KW 三角型△

额定功率因素 额定转速

0.80 1395r/min 星型Y

220V~

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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。

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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Wincc Flexible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

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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

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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SIMATIC PANEL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。

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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SIMATIC MANAGER，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Storage Location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Insert New Object插入SIMATIC 300 Station，如图3.6所示，可以看到选择的对象出现在右侧的屏幕上。

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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SIMATIC 300 Station，然后双击右侧生成的Hardware图标，在弹出的HW config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Wincc Flexible里完成。

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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“PROFIBUS DP”→“SIMOVERT” →“MICROMASTER 4”，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“MICROMASTER 4” →“4 PKW，2 PZD (PP0 1)”，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

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图3.13 组态从站

3.4 MM440参数设置

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

使用地区 应用领域 电机类型 额定电压 额定电流 额定功率 功率因素 额定频率 额定速度 磁化电流 冷却方式 过转因子

欧洲：功率单位KW

频率缺省值50Hz 恒转矩 异步电动机

额定电压为400V 额定电流为1.93A 额定功率为0.75KW cosφ=0.80

额定频率为50.00Hz 额定速度为1395r/min 由变频器自行计算 自冷

电机过载电流限幅值为

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额定电流的150%

命令源 频率设定选择最小频率 最高频率 斜坡上升时间斜坡下降时间OFF3斜坡下降

时间 电机控制方式转矩设定值 自动检测方式COM链路的通讯板

(CB)设置 通过COM链路的CB

设定 允许最低的电动机频率允许最高的电动机频率电机从静止状态加速到

最高频率所用的时间 电机从最高频率减速到

静止状态所用的时间

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

线性特性的V/f控制

无主设定值

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 地址值为4

PROFIBUS地址设定值的选择 参数修改设置

命令和频率

命令和设定值都

使用BICO 使能DP接口更改参数

4 系统软件设计

4.1 MM440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

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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。

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图4.3 PPO1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4.1 PKE字结构

位 标识 功能 保留为0 基本参数号

任务或应答识别标记ID 表4.2 任务AK说明 表4.3 应答AK说明

AK 1 2 3

说明

请求参数数值 修改参数数值（单字） 修改参数数值（双字）

AK2 3

说明

传送参数数值（单字） 传送参数数值（双字）

表4.4 IND说明

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(2) IND

下标，没有值则取0。 (3) PWE

位 15-1211-8 7-0

说明 PNU扩展 保留为0 下标

PNU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

PWE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）：12BC000000000000 MICROMASTER4→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0002 hex。 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）：100A800100000000 MICROMASTER4→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40.00 (40.00=42200000 IEEE浮点数)；

Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：143A000000000000 MICROMASTER4→PLC（应答）：243A000042480000

应答识别标志2表明这是一个双字参数，所以我们必须采用任务识别标志3 修改参数数值双字。 Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：343A000042200000 MICROMASTER4→PLC（应答）：243A000042200000 确认这一参数的数值已修改完毕。 2. PZD区

通讯报文的PZD区是为控制和监测变频器而设计的，可通过该区写控制信息和控制频率，读状态信息和当前频率。 (1) STW

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当通过PLC对变频器写入PZD时，第1个字为变频器的控制字，其含义如表5所示。一般正向启动时赋值0X047E，停止时赋值0X047F。

表4.5 控制字说明

位 功能 否 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否

是 否 否 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是

00 On(斜坡上升)/OFF1(斜坡下降) 01 OFF2：按惯性自由停车 02 OFF3：快速停车 03 脉冲使能

04 斜坡函数发生器(RFG) 使能 05 RFG开始 06 设定值使能 07 故障确认 08 正向点动 09 反向点动 10 由PLC进行控制 11 设定值反向 12 未使用

13 用点动电位计(MOP)升速 14 用MOP降速

(2) HSW

15 本机/远程控制下标0P0719下标1

当通过PLC对变频器写入PZD时，第2个字为主设定值，即设定的变频器主频率。如果P2009设置为0，数值是以十六进制数的形式发送，如果 P2009 设置为1 数值是以绝对十进制数的形式发送。 ZSW

当通过PLC读变频器PZD时，第1个字为变频器状态字，其含义如表4.6所示。

表4.6 状态字说明

位

00 变频器准备

功能 否 否 否 否

是 是 是 是

01 变频器运行准备就绪 02 变频器正在运行 03 变频器故障

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04 OFF2命令激活 05 OFF3命令激活 06 禁止on(接通)命令 07 变频器报警

08 设定值/实际值偏差过大 09 PZDI(过程数据)控制 10 已达到最大频率 11 电动机电流极限报警 12 电动机抱闸制动投入 13 电动机过载 14 电动机正向运行 15 变频器过载

(3) HIW

是 否 否 否 是 否 否 是 是 是 否 是

否 是 是 是 否 是 是 否 否 否 是 否

当通过PLC对变频器写入PZD时，第2个字为运行参数实际值，通常把它定义为变频器的实际输出频率，通过P2009（如上所述）进行规格化。 (4) 举例

① 正向运行，频率40.00Hz； Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：047E3333 MICROMASTER4→PLC（应答）：FB310000

设置速度，并检测变频器是否处于准备运行状态，应答数据提示我们，当前频率状态正常，方向设置为正向，并且速度为0。

Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：047F3333 发送控制命令，启动变频器控制电机。 ② 变频器正向点动； Step1

PLC→MICROMASTER4（请求）：047E0000 MICROMASTER4→PLC（应答）：FB310000

检测变频器是否处于准备运行状态，应答数据提示我们，当前频率状态正常，方向设置为正向，并且速度为0。 Step2

PLC→MICROMASTER4（请求）：057E0000

发送命令，使点动机点动运行，正向点动运行频率由P1058决定。

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4.2 PLC控制程序设计

电机操作包含复位、启动、停机、点动以及电机状态的读取，可将程序按不同电机操作划分程序。为使程序更容易理解，下面将首先对与程序相关的内容进行介绍，接着总体阐述各部分间的逻辑关系，然后对每部分分别进行详细介绍。

4.2.1 SFC14、SFC15介绍

许多复杂功能的DP从站，如闭环控制器或电气驱动等，它们通常不能用简单的数据结构来完成这些任务，这些DP从站需要更大的输入和输出区域，而且在这些I/O区域中的信息常常是相连不可分割的。并且STEP7中的I/O存取命令不允许用单字节、单字或双字命令去存取具有3个或大于3字节的相连续的DP数据区域（模块）。因此，为了存取这种封闭结构的相连续的数据区域，使用系统功能函数SFC 14(DPRD_DAT)和SFC 15(DPWR_DAT)。

为了读一个DP从站相连续的输入数据区域，使用系统功能函数SFC 14(DPRD_DAT)。如果一个DP从站有若干个相连续的输入模块，则必须为所要读的每个输入模块分别安排一个SFC14调用。表4.7中列出了SFC14的输入和输出参数。

表4.7 SFC14参数表

参数 说明 数据类型存贮器区域 描述

用HW Config组态的DP从站的输

I,Q,M,D,L(不变的)

入模块开始地址规定。

（十六进制格式）所要存储用户数据的目的区域 SFC状态返回值

RET_V

ANY INT

I,Q,M,D,L I,Q,M,D,L

SFC15用来输出连续数据区域，输入和输出参数与SFC15相似，LADDR为目的输出数据地址，RECORD为希望输出数据存储区。