基于USS現場總線的S7-1200和G120通信實現異步電動機變頻調速監控網絡的研究

馬彬彬，趙 安

（泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

USS 協 議（Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口協議）是西門子公司所有傳動產品的通用通訊協議，它是一種基于串行總線進行數據通訊的協議。USS 協議是主-從結構的協議，規定了在USS 總線上可以有一個主站和最多30 個從站。通過此協議，西門子控制器和各傳動產品之間可以主-從的方式進行數據傳輸[1]。本文研究S7-1200 和多個G120 之間的USS 通信，實現若干臺異步電動機的運行實時監控。

1 監控網絡硬件構成

監控網絡硬件主要包括：西門子HMI 精簡面板（或精智面板、移動面板）、西門子S7-1200系列可編程控制器CPU1214C（或其它S7-1200系列CPU）、S7-1200系列通信板CB1241（或通信模塊CM1241）、西門子G120系列變頻器、三相交流異步電動機等。變頻器數量和電動機數量相同。通信板CB1241卡入S7-1200的CPU 槽中，并和若干臺G120間用RS485線纜連接組成USS 通信網絡[2]。S7-1200CPU 和HMI 間通過Ethernet 網線連接。監控網絡硬件接線示意圖如圖1所示。

圖1 硬件接線示意圖

2 G120變頻器通信接線及參數設置

S7-1200 串口通信解決方案可以選CM1241 通信模塊或者CB1241 通信板。CM1241 通常和CPU一起安裝在導軌上，并提供9 針串口。而CB1241通信板直接安裝在CPU板槽中。受限于空間體積，CB1241沒有提供9針串口，而是提供的接線端子。CB1241 接線端子和G120 的RS485 插頭接線如圖2所示。CB1241內部有終端電阻，可以通過接線實現終端電阻的ON和OFF狀態。當需要終端電阻接入時，把T/RA短接到TA；把T/RB短接到TB即可。

G120變頻器在設置參數之前，需要根據G120操作手冊的要求先選用與G120配套的電機，并將電機銘牌上相關參數輸入G120完成基本調試。然后根據變頻器控制方式選擇對應的宏指令編號，并進行USS 通信方式的參數設置和修改。參數設置值如表1所示。

圖2 S7-1200的CB1241和G120的RS485通信插頭接線[3]

表1 USS現場總線某一個變頻器參數設置[4]

3 PLC控制程序設計

3.1 初始化USS通信

可以在“Cyclic interrupt[OB30]”中初始化USS 通信，如圖3 所示。“USS_Port_Scan”指令選擇USS 通信方式，通過USS 網絡可為最多16 個變頻器從站處理通信。PORT 端口選擇“Local～CB_1241_(RS485)”，波特率可選9600。

圖3 在循環中斷中初始化USS通信[5]

3.2 變頻調速程序塊的編寫

變頻調速FC塊主要用來進行頻率與速度百分比的換算，為“Main[OB1]”（主程序塊）實現電動機的控制以及HMI 上電機的狀態顯示做準備。主程序塊中“USS_Drive_Control”指令的端口要用到此程序塊的轉速百分比，HMI 上也需要此程序塊來顯示電機運行實時頻率。變頻調速[FC1]程序塊如圖4所示。

圖4 變頻調速[FC1]程序塊[6]

3.3 變頻器控制主程序塊的編寫

主程序塊包括三部分：（1）啟停控制程序；（2）CB1241主站與G120從站進行USS通信；（3）調用FC程序塊。

啟停控制既可用物理按鈕，也可在HMI 上點按。啟動時電機速度不為0，可通過轉速百分比預設一個較低的速度。電機停車有“OFF1、OFF2、OFF3”三種。其中“OFF1”表示在指定的斜坡函數設定的時間內停車，通過停止按鈕或HMI 停止實現。啟動控制程序如圖5所示。

圖5 電動機啟停控制程序[6]

USS通信程序可通過“USS_Drive_Control”指令實現。系統啟動后，自動執行“USS_Drive_Control”指令。輸入端口中，“OFF2”和“OFF3”分別表示自由停車和急停；“F_ACK”為故障確認端口；“DIR”為方向開關；“DRIVE”為所連變頻器地址；“PZD_LEN”為現場總線通訊報文的過程數據區的長度；“SPEED_SP”為速度百分比設定。輸出端口為變頻器實時狀態信息。主-從站的USS通信程序如圖6所示。CB1241主站和任一G120從站通信都需要一個單獨的USS 通信程序。需要注意的是，所有USS 通信程序的“DRIVE”的地址值均不可相同，且在1～31范圍內。

圖7 為調用FC 塊的程序。將變頻器速度與頻率值進行換算后，在HMI上顯示。

圖6 CB1241主站和某個G120從站的通訊程序[5]

圖7 變頻調速FC程序塊[6]

4 HMI組態畫面設計

西門子精簡面板是與S7-1200 配套的SIMATIC HMI，可在博途中組態的HMI 還有精智面板和移動面板，功能更加完善。精簡系列面板已經可以滿足用戶對高品質可視化和便捷操作的需求[7]。用戶在HMI 集中實現多臺電機的遠程控制，并準確獲取各個電機的運行狀態等信息。某臺電機的監控組態信息如圖8所示，其它電機與此類似。

圖8 電機監控HMI畫面組態[8]

5 結語

采用西門子專用的USS 現場總線后，異步電動機的變頻調速監控變得方便、直觀、交互性強，節約布線、易于遠程控制。將整個系統的現場數據集度中在HMI 上顯示，隨時觀察，自動記錄，另外其體積相對較小，安裝方便，便于維護，成本也較低。經現場調試證實，控制系統運行可靠，功能完善，具有較高的應用價值。