基于USS協(xié)議的西門子PLC與變頻器間的通信控制

劉琳霞 侯彥博

引言：本文以西門子S7-200系列PLC與MM440變頻器為例，介紹了基于西門子公司變頻器USS協(xié)議的PLC與變頻器之間的一種通信控制方法。給出了PLC與變頻器之間利用USS協(xié)議進行通信控制的控制方法和程序設計步驟。通過該協(xié)議通信，可以對變頻器的運行參數(shù)進行在線監(jiān)控和遠程控制，提高工作效率，減少布線，提高系統(tǒng)的抗擾動能力。

一、前言

計算機及通信技術(shù)已成為工業(yè)環(huán)境中大部分解決方案的核心部分，其在系統(tǒng)中的比重正在迅速增加[1]。在自動化控制系統(tǒng)中，交流電動機的調(diào)速控制越來越多的通過變頻器來實現(xiàn)，變頻器不僅僅作為一個單獨的執(zhí)行機構(gòu)。在之前的工程施工中，變頻器的控制一般是通過數(shù)字量或模擬量信號來實現(xiàn)的。變頻器在工作時會產(chǎn)生較大的擾動信號，會對控制器產(chǎn)生影響，而產(chǎn)生誤動作現(xiàn)象。當控制器與變頻器距離較遠時，會產(chǎn)生大量的布線問題。隨著變頻器智能化程度的提高，它們相互之間及同控制系統(tǒng)之間可以通過某種通信方式結(jié)合成有機的整體。西門子變頻器的USS自由口通信以其通信質(zhì)量高、成本低廉，在自動控制系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應用。

二、USS通信協(xié)議

2.1 USS協(xié)議特點[2]

USS（Universal Serial Interface，即通用串行通信接口）是西門子轉(zhuǎn)為驅(qū)動裝置開發(fā)的通信協(xié)議，USS協(xié)議的基本特點如下：

1）支持多點通信（因而可以應用在RS485等網(wǎng)絡上）。

2）采用單一主站的“主-從”訪問機制。

3）每個網(wǎng)絡最多可以有32個節(jié)點（0-31站，最多31個從站）。

4）簡單可靠的報文格式，使數(shù)據(jù)傳輸靈活高效。

5）容易實現(xiàn)，成本較低。

USS的工作機制是，通信總是由主站發(fā)起，USS主站不斷循環(huán)輪詢各個從站，從站根據(jù)收到的指令，決定是否以及如何反應。從站永遠不會主動發(fā)送數(shù)據(jù)。從站在以下條件滿足時應答：

-接收到的主站報文沒有錯誤，并且本從站在接收到主站報文中被尋址。

上述條件不滿足，或者主站發(fā)出的是廣播報文，從站不會做出任何響應。對于主站來說，從站必須在接收到主站報文之后的一定時間內(nèi)發(fā)，否則主站將視為出錯。

2.2 USS協(xié)議的通信格式[2]

USS的數(shù)據(jù)傳輸方式屬于串行異步傳輸方式（URAT）。USS在串行數(shù)據(jù)上的傳輸診為11為，即一位起始位、八位數(shù)據(jù)位、一位校驗位和一位停止位。

USS協(xié)議的報文簡潔可靠，高效靈活。報文由一連串的字符組成，協(xié)議中定義了特悶的特點功能，USS報文結(jié)構(gòu)包含以下方面的信息，STX為起始字符，總是02H；LGE為報文長度；ADR為從站地址及報文類型，其中Bit0-Bit4表示從站地址（0-31），Bit5=1表示廣播發(fā)送，Bit6=1表示為鏡像發(fā)送，用于網(wǎng)絡測試，Bit7=1表示為特殊報文；BCC未校驗字符，為從STX開始所有字節(jié)的異或和。

USS報文結(jié)構(gòu)中凈數(shù)據(jù)區(qū)由PKW區(qū)和PZD區(qū)組成（如表3所示），這兩個區(qū)域均為變長數(shù)據(jù)，通過設定這兩個區(qū)域的參數(shù)，在一幀內(nèi)完成控制數(shù)據(jù)的同時，可以通過指定參數(shù)號完成設備控制參數(shù)的讀寫。

USS凈數(shù)據(jù)區(qū)，包含PKW與PZD區(qū)，PKW區(qū)用于讀寫參數(shù)值、參數(shù)定義或參數(shù)描述文本，并可修改和報告參數(shù)的改變。PKE為參數(shù)ID；IND為參數(shù)索引；PWEm為參數(shù)值數(shù)據(jù)。PZD區(qū)用于在主站何從站之間傳遞控制和過程數(shù)據(jù)。控制參數(shù)按設定好的固定格式在主、從站之間對應往返。PZD1為主站發(fā)給從站的控制字/從站返回主站的狀態(tài)字；PZD2為主站發(fā)給從站的給定/從站返給主站的實際反饋。

三、PLC與變頻器的配置

本文中PLC采用CPU226cn，變頻器采用MM440，在開始按照USS協(xié)議通信前，需要對PLC及變頻器進行如下配置。

3.1 PLC配置

PLC配置包含以下方面的內(nèi)容：

安裝USS指令庫、初始化通信設置、編寫通信程序、設定變頻器運行頻率、讀取變頻器參數(shù)、指定程序的V存儲區(qū)、編譯下載程序。

3.2 MM440配置

參數(shù)設置

P0003=3啟用所有參數(shù)的讀寫訪問；P0010=1啟用快速調(diào)試模式；P0304=380電機額定電壓；P0305電機額定電流；P0307=電機額定功率；P0310電機額定頻率；P0311電機額定轉(zhuǎn)速；P0700=5控制由USS控制；P1000=5頻率由USS控制；P1120=2秒加速時間設置成2秒；P1121=2秒減速時間設置成2秒；P2009=0設置USS規(guī)格化（=0不規(guī)格化 USS 通信設定值，即設定為變頻器中的頻率設定范圍的百分比形式。 =1對USS通信設定值進行規(guī)格化，即設定值為絕對的頻率數(shù)值）；P2010=6RS485通訊設置成9600波特率；P2011=0變頻器號（USS地址）（0～31，與程序必須相對應）；P0971=1，上述參數(shù)將保存入MM420的EEPROM中。

四、結(jié)束語

西門子S7-200的PLC與西門子MM420變頻器通過RS485口用西門子的專用協(xié)議USS協(xié)議進行通訊，應用在小型自動控制系統(tǒng)中。因為USS協(xié)議采用輪詢方式通訊，所以PLC所帶的變頻器不能太多，否則會因為超時而造成通訊失敗。另外，采用MM420的RS485接口通訊時，變頻器上不能安裝PROFIBUS-DP通訊板。

參考文獻

[1]吳海燕.基于USS協(xié)議實現(xiàn)PLC對變頻器的控制[J].PLC、工控機與集散控制系統(tǒng).2006，09.

[2]西門子自動化.如何通過USS協(xié)議實現(xiàn)S7-1200與MM440變頻器的通信[J].IA&DT Service & Support，A0467.

[3]劉琳霞，潘云忠.變頻器的PLC控制方式研究 [J].科技世界，2013，（34）：309.

[4]西門子自動化.MICROMASTER4400.12KW-250KW使用大全[Z].2011.

（作者單位：蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院 電氣學院）