西门子SBAQ01

上海朕锌电气设备有限公司

西门子SBAQ01

1 G120 PROFIBUS通信功能概述
SINAMICS G120第二代控制单元CU240B-2 DP、CU240E-2 DP、CU240E-2 DP F支持基于PROFIBUS的周期过程数据交换和变频器参数访问。
> 周期过程数据交换--通过该通信PROFIBUS主站可将控制字和主设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。G120最多可以接收和发送8个过程数据字。该通信使用周期性通信的PZD通道（过程数据区），变频器不同的报文类型定义了不同数量的过程数据字（PZD）。
> 变频器参数访问--提供PROFIBUS主站访问变频器参数的接口，有两种方式能够访问变频器参数：

1. 周期性通信的PKW通道（参数数据区）：通过PKW通道主站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。
2. 非周期性通信：主站采用PROFIBUS-DPV1通信访问变频器数据记录区，每次可以读或写多个参数。

本文通过示例介绍S7-1200与CU240E-2 DP F的PROFIBUS PKW通信，介绍如何通过PKW通信读P2902[5]参数值、写P1121参数值。

2 参数通道(PKW)的数据结构
PKW通信工作模式：主站发出请求，变频器收到主站请求后处理请求，并将处理结果应答给主站。


图2-1 PKW通信原理

PKW通信的请求和应答数据总是包含4个字，第1个字和第2个字传送参数号、索引以及任务类型（读或写），第3个和第4个字传送参数内容。


图2-2 PKW参数通道的结构 

> PKE：PKW第1个字

? AK：位 12~15 包含了任务ID 或应答ID，任务ID参考表2-1，应答ID参考表2-2 ；
? SPM：始终为0；
? PNU：参数号 < 2000 PNU = 参数号。 参数号 ≥ 2000 PNU = 参数号减去偏移，将偏移写入分区索引中
（ IND 位 7 … 0 ）。

 
图2-3 PKW结构
 

表2-1主站发送给变频器的任务ID

表2-2变频器发送给主站的应答ID

应答ID = 7 变频器会在参数值PWE1中将错误号发送给主站。

表2-3 应答ID = 7时的错误编号

注：更多错误编号描述请参考《CU240E-2操作手册》
> 参数索引IND：PKW第2个字

? 子下标（参数下标）：标识变频器参数的子索引（参数下标）值。例如P840[1]中括号中的“1”即为参数下标。
? 分区下标：变频器参数偏移量，配合PNU确定参数号。例如P2902的分区下标 = 0x80，分区下表查询请参考表
   2-1。

图2-4 IND结构

表2-4 分区下标设置，取决于变频器参数范围

> 参数值PWE：PKW第3、4个字
参数值PWE总是以双字方式（ 32 位）发送，一条报文只能传送一个参数值。

? 32位的参数值由PWE1（第3个字）和PWE2（第4个字）两个字组成；
? 16位的参数值以PWE2表示，PWE1为0；
? 8位的参数值以PWE2中位0…7表示，高8位和PWE1为0；
? BICO参数：PWE1表示参数号，PWE2位10…15为1，PWE2位0…9表示参数的索引或位号。

3 S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS PKW通信实例

3.1 S7-1200组态
CU240E-2 DP F控制单元支持两种PKW通信报文：353报文和354报文，它们的区别在于过程值通道PZD数量的不同，PKW通道功能完全相同。本示例以组态353报文为例。
S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS通信基本组态过程以及变频器通信参数设置请参考《S7-1200与G120 CU240X-2 DP的PROFIBUS PZD通信》文档，在此不做详细介绍。

? 组态与CU240E-2 DP F通信报文西门子SBAQ01

1） 将硬件目录中“SIEMENS telegr 353, PKW+PZD-2/2”模块拖拽到“设备概览”视图的第1个插槽中，系统自动分配了输入输出地址，本示例中分配PKW的输入地址IB68~IB75，输出地址QB64~QW71，分配PZD的输入地址IW76、IW78，输出地址QW72、QW74；
2）为方便编程将插槽1的PKW区重命名为“PKW”（在调用系统功能DPRD_DAT、DPWR_DAT时将用到此名字），将插槽2的PZD区重命名为“PZD”。

图3-1组态与CU240E-2 DP F通信报文

? 编程：在S7-1200中调用扩展指令“DPRD_DAT”读取PKW区数据，调用扩展指令“DPWR_DAT”写入PKW数据。

1） 双击项目树下的“Main（OB1）”打开OB1程序编辑窗口；
2） 扩展指令目录中“分布式I/O -> 其它 -> 驱动器 -> DPRD_DAT和DPWR_DAT ”指令拖拽到程序编辑窗口中。

图3-2 S7-1200编程

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配硬件标识：

1） 单击块参数“LADDR”；
2） 在下拉列表中选择“PKW[AI/AO]”。

图3-3分配硬件标识符

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配其它参数：

1） DPRD_DAT读取缓冲区从MB100开始的8个字节；
2） DPRD_DAT发送缓冲区从MB200开始的8个字节；

注意：也可以使用DB块作为缓冲区，创建DB时请将块访问模式定义为“标准-与S7-300/400兼容”模式。

图3-4分配其它参数

3.2示例1：读取参数P2902[5]数值
将MB200~MB207的8个字节请求数据发送到变频器，变频器返回的响应数据保存在MW100~MB107的8个字节中。读取参数P2902[5]值的请求数据格式参考表2.2.1，变频器响应数据格式参考表2.2.2。
P2902参数范围在2000…3999之间，根据表2-1设置分区索引值为0x80。
PNU = 2902-2000 = 902（十进制）= 386 （十六进制）。
通过变量表模拟程序读取参数P2902[5] = 100.0，参考图3-4。

图3-4 S7-1200读P2902[5]参数

表3-1读取参数P2902[5]值的请求数据格式，PLC -> 变频器

表3-2读取参数P2902[5]值的响应数据格式，变频器 -> PLC

3.3示例2：修改参数P1121数值
将MB200~MB207的8个字节请求数据发送到变频器，变频器返回的响应数据保存在MW100~MB107的8个字节中。修改参数P1121值的请求数据格式参考表2.3.1，变频器响应数据格式参考表2.3.2。
P1121参数范围在0…1999之间，根据表2-1设置分区索引值为0x00。
PNU = 1121（十进制）= 461 （十六进制）。
通过变量表模拟程序修改参数P1121 = 5.0，参考图2-2。

图3-5 S7-1200写P1121参数

  当一台感应电机被机械驱动，并且有一台变频器给电机的出线端子提供某一电压的时候，它将作为一台发电机给变频器回馈能量。
        通常，在交流电机和负载的减速阶段，储存的大部分能量将被电机转化为电能反馈到变频器。当一个高惯性负载突然减速时，会有过大的反馈能量不能被变频器的直流母线所吸收，导致直流母线上电压过高而跳闸。

        由于变频器的直流侧电容只能吸收很小一部分的反馈能量，对于超过系统本身损耗的的制动力矩, 需提供一个动力制动电路来消除剩余能量。通过控制一个专用的制动控制电路控制的制动单元的工作/停止周期来防止直流母线上的电压过高。通过控制在发电过程中制动单元的工作/停止周期来防止直流电压超过最大值和直流侧电容的过度充电。许多变频器的固有特征是当输出频率小于基础频率时，为恒定V/F比值控制（力矩恒定）；当输出频率大于基础频率时，为恒电压控制（功率恒定）。因为其恒压变频特性，基础频率之上的再生功率是恒定的，但在基础频率之下，将逐渐衰减至在速度为零时功率为零。当停车时，系统固定损耗大多数情况为摩擦力使驱动系统停止。
        当运行在基础频率之上任何速度，再生功率都为最大值且保持恒定，此时制动电阻器发挥最大功效。最大制动扭矩与在恒定电压下反比于电阻值的再生电流是一对函数关系。于是电阻值的选择决定了制动扭矩的大小。
        电阻的额定功率取决于制动周期（制动时间和循环时间）和电阻的冷却。
        出于安全的考虑，通常使用一个热继电器来单独保护电阻防止持续过载。这个热继电器应该控制切断变频器输入电源。

制动电阻的应用

        通常情况下，当电源为380-460V时，变频器的直流母线电压最大值为800V，电阻，电缆，绝缘需与此工作电压匹配。
        电阻值及额定功率可以由需吸收的能量，即释放的功率值和连续减速的延时时间算出。为了得到电阻的阻值需要知道要求的制动扭矩；为了得到电阻的额定功率需要知道负载的能量有多大。
        电机和负载的动能等于 0,5 J?2

        因为能量与角速度的平方成正比，系统的最大能量集中在高速状态，会在开始减速的时候传递给电阻。假如电机运转在基础频率之上，传递给电阻的能量为定值，直到降至基础频率以下。用于制动周期的制动电阻应能承受热冲击，推荐使用额定脉冲式电阻。

举例：
转动惯量为10 的负载由1500rpm减速到静止。
计算制动电阻值，额定功率。

需要的数据:
        电机及驱动                                             30kW
        电机额定转矩                                         191Nm
        减速时间                                                 待定
        重复周期时间                                         30 s
        负载转动惯量 (J)                                    10 Kgm2
        电阻阻值(R)                                            未知
        电阻额定功率值（Pr）                         未知
        电阻工作电压 (V)                                  750V

首先最基本的一步是确定减速时间 (Tb ):

                                        

最大减速发生在电机额定转矩的150%。
最大值         Mb max = 1.5 x 191 = 286.5
最快的减速时间Tb :  

秒

可以确定一个实际的减速时间 , 对于这个例子，令 =7s
计算减速时间为7s时需要的制动转矩

       

       

制动功率为：

	Kw

     = 35.24 kW

制动电阻阻值为：

        电阻的额定功率为：
        由于制动电阻的工作为间歇性的，其额定功率可按间歇性的功率选择而不必是连续功率。优点是可根据电阻的过载系数来充分利用电阻的过载值（O/L), 这个系数可由一组冷却曲线得出，这个曲线是由制动电阻生产商或者供应商提供的。
        在这个例子中，减速时间设置为7秒，循环周期时间为30秒。
        所选择的电阻的额定功率为：

      
      = 17.5Kw

        实际上，在再生制动过程中，电机和负载的机械损耗可耗散15%到20%的制动能量。通常的情况下，实际上推荐的制动电阻阻值是代表应用中的最小值，使用推荐的阻值有可能会产生额外的制动转矩。然而，由于负载惯量的能量反馈值是由减速度决定，制动单元通过调整制动电阻的运行/停止周期来实现按照实际速率消耗能量。

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