作者：太原科技大學 電子信息工程學院 劉紅兵
摘 要：本文主要介紹了西門子公司的PLC與變頻器之間的USS串口通訊協(xié)議，并以S7-200和MM440變頻器之間的USS通訊為例，介紹了USS串口通訊在中、小型控制系統(tǒng)中的應用。
關鍵詞：USS、PLC、變頻器
引 言：
傳統(tǒng)的PLC與變頻器之間的接口大多采用的是依靠PLC的數(shù)字量輸出來控制變頻器的啟停，依靠PLC的模擬輸出來控制變頻器的速度給定，這樣做存在以下問題：
1、需要控制系統(tǒng)在設計時采用很多硬件，價格昂貴
2、現(xiàn)場的布線多容易引起躁聲和干擾
3、PLC 和變頻器之間傳輸?shù)男畔⑹苡布南拗疲粨Q的信息量很少。
4、在變頻器的啟停控制中由于繼電器接觸器等硬件的動作時間有延時，影響控制精度。
5、通常變頻器的故障狀態(tài)由一個接點輸出，PLC能得到變頻器的故障狀態(tài)，但不
能準確的判斷當故障發(fā)生時，變頻器是何種故障。
如果PLC通過與變頻器進行通訊來進行信息交換，可以有效地解決上述問題，通訊方式使用的硬件少，傳送的信息量大，速度快，等特點可以有效地解決上述問題，另外，通過網(wǎng)絡，可以連續(xù)地對多臺變頻器進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)多臺變頻器之間的聯(lián)動控制和同步控制，通過網(wǎng)絡還可以實時的調整變頻器的參數(shù)。
目前各個廠家的變頻器都相繼的開發(fā)出了支持連網(wǎng)的功能，比如，很多變頻器都有了支持現(xiàn)場總線（如：DEVICENET、PROFIBUS、AS_I）等的接口協(xié)議，可以很方便的與PLC進行數(shù)據(jù)通信。本文主要介紹西門子S7-200和MicroMaster變頻器之間的通訊協(xié)議USS，使用USS通訊協(xié)議，用戶可以通過程序調用的方式實現(xiàn)S7-200和MicroMaster變頻器之間的通信，編程的工作量小，通訊網(wǎng)絡由PLC和變頻器內置的RS485通訊口和雙絞線組成，一臺S7-200最多可以和31臺變頻器進行通訊，這是一種費用低、使用方便的通訊方式。
一、USS通訊協(xié)議介紹
USS通訊協(xié)議的功能，所有的西門子變頻器都帶有一個RS485通訊口，PLC作為主站，最多允許31個變頻器作為通訊連路中的從站，根據(jù)各變頻器的地址或者采用廣播方式，可以訪問需要通訊的變頻器，只有主站才能發(fā)出通訊請求報文，報文中的地址字符指定要傳輸數(shù)據(jù)的從站，從站只有在接到主站的請求報文后才可以向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不能直接進行數(shù)據(jù)交換。在使用USS協(xié)議之前，需要先安裝西門子的指令庫。USS協(xié)議指令在STEP7—MICRO/WIN32指令樹的庫文件夾中，STEP7—MICRO/WIN32指令庫提供14個子程序、3個中斷程序和8條指令來支持USS協(xié)議。調用一條指令時，將會自動地增加一個或幾個子程序。
USS協(xié)議使用CPU的下列資源，
1）USS協(xié)議占用PLC的通訊端口0或1，使用USS——INIT指令可以選擇PLC的端口是使用USS協(xié)議還是PPI協(xié)議，選擇USS協(xié)議后PLC的相應端口不能在做其它用途，包括與STEP7-WICRO/WIN32的通訊，只有通過執(zhí)行另外一條USS指令或將PLC——CPU的模式開關撥到RUN或STOP狀態(tài)，才能鐘新在進行PPI通訊，當PLC和與變頻器通訊中斷時，變頻器將停止運行，所以在本例中選擇CPU226 因為它有兩個通訊端口，當?shù)谝粋€口用于USS通訊時，第二個端口可以用于程序監(jiān)控，USS指令要占用2300～3600字節(jié)的程序存儲空間和400個字節(jié)的變量存儲區(qū)間
2）變頻器的通訊與CPU的掃描時異步的，完成一次變頻器的通訊通常需要幾個CPU的掃描周期，通訊時間和鏈路上變頻器的臺數(shù)、波特率和掃描周期有關，本例中通訊的波特率設定為19200，變頻器的臺數(shù)為3臺，經(jīng)實際調試檢測通訊時間大約為50ms.
二、使用USS協(xié)議的步驟：
1）安裝指令庫后在STEP7-Micro/win32指令樹的/指令/庫/USS PROTOOL文件夾中將出現(xiàn)8條指令，用它門來控制變頻器的運行和變頻器參數(shù)的讀寫操作，這些子程序是西門子公司開發(fā)的用戶不需要關注這些指令的內部結構，只需要在程序中調用即可。
2）調用USS—INIT初始化改變USS的通訊參數(shù)，只需要調用一次即可，在用戶程序中每一個被激活的變頻器只能用一條USS-DRIVE-CTRL指令，可以任意使用USS-RPM-X 或USS-WPM-X指令，但是每次只能激活其中的一條指令。
3）為USS指令庫分配V存儲區(qū)。在用戶程序中調用USS指令后，用鼠標點擊指令書中的程序塊圖標，在探出的菜單中執(zhí)行庫內存命令，為USS指令庫使用的397個字節(jié)的V存儲區(qū)指定起始地址，
4）用變頻器的操作面板設置變頻器的通訊參數(shù)，使之與用戶程序中所用的波特率和從站地址相一致。
5）連接CPU和變頻器之間的通訊電纜，為了提高看干擾能力最好采用屏蔽電纜。
三、USS指令說明
1、初始化指令USS-INIT
初始化指令USS-INIT用于允許或禁止PLC和變頻器之間的通訊，在執(zhí)行其他USS協(xié)議前，必須先成功的執(zhí)行一次USS-INIT指令，只有當該指令成滾執(zhí)行完成后其完成位（DONE）置位后，才能繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。次USS-INIT指令的參數(shù)如表1所示：
表1 USS-INIT指令的參數(shù)
|
序號 |
參數(shù) |
數(shù)據(jù)類型 |
參數(shù)功能 |
|
1 |
EN |
BOOL |
該位為1時USS-INIT指令被執(zhí)行，通常采用脈沖指令 |
|
2 |
MODE |
BYTE |
用于選擇PLC通訊端口的通訊協(xié)議，1 選擇USS， 0選擇PPI |
|
3 |
BAUD |
INT |
指定通訊的波特率， |
|
4 |
ACTIVE |
DINT |
用于設定鏈路上的哪個變頻器被激活，ACTIVE共32位，0～31分別對應通訊鏈路上的0到31臺變頻器。例如：ACTIVE的給定值為
16#0000 0000 0000 0010時，表示鏈路上的第二臺變頻器被激活。被激活的變頻器自動地與主站PLC進行通訊，以控制其運行和采集其狀態(tài)。 |
|
5 |
DONE |
BIT |
當USS-INIT指令正確執(zhí)行完成后該位置1 |
|
6 |
ERROR |
BYTE |
在USS-INIT指令執(zhí)行有錯誤時該字節(jié)包含錯誤代碼 |
2、控制指令USS-CTRL
USS-CTRL指令用于控制已經(jīng)用USS-INIT激活了的變頻器，每臺變頻器只能使用一條這樣的指令，該指令將用戶命令放在一個通訊緩沖區(qū)內，如果指令的參數(shù)DRIVE指定的變頻器已經(jīng)激活，緩沖區(qū)內的命令將被發(fā)送到指定的變頻器，該指令的參數(shù)如表2所示：
表2 USS-CTRL指令的參數(shù)
| 序號 |
參數(shù) |
數(shù)據(jù)類型 |
參數(shù)功能 |
| 1 |
EN |
BOOL |
該位為1時USS-CTRL指令被執(zhí)行，通常該指令總是處于使能狀態(tài)。 |
| 2 |
RUN |
BOOL |
該命令用于控制變頻器的啟動停止狀態(tài)， RUN=1 OFF2=0，OFF3=0時變頻器啟動； RUN=0 變頻器停止； |
| 3 |
OFF2 |
BOOL |
該命令用于控制變頻器的停車方式， 當OFF2=1時選擇自由停車方式。 |
| 4 |
OFF3 |
BOOL |
該命令用于控制變頻器的停車方式， 當OFF3=1時選擇制動停車方式。 |
| 5 |
F-ACK |
BOOL |
該命令用于復位變頻器，當F-ACK=1時變頻器復位。 |
| 6 |
DIR |
BOOL |
該命令用于控制變頻器的運行方向，當DIR=1時變頻器正轉；當DIR=0時變頻器反轉。 |
| 7 |
Drive |
BYTE |
該命令用于設定變頻器的站地址，指定該CTRL指令的命令要發(fā)送到那臺變頻器 |
| 8 |
Type |
BYTE |
變頻器的類型：Type=1 M440 系列的變頻器； Type=0其它系列的變頻器。 |
| 9 |
Speed_SP |
REAL |
該指令用滿速的百分比表示變頻器速度的設定值（-200.0～200.0%）改制為負數(shù)時變頻器反轉。 |
| 10 |
Resp_R |
BOOL |
變頻器的返回信號，處于激活狀態(tài)的變頻器在收到控制命令后產(chǎn)生一個回饋信號，當CPU從變頻器收到一個信號后接通一個掃描周期。 |
| 11 |
Error |
BYTE |
當變頻器產(chǎn)生錯誤時該字節(jié)包含錯誤代碼。 |
| 12 |
Status |
INT |
變頻器返回的狀態(tài)信號。 |
| 13 |
Speed |
DINT |
變頻器返回的實際運行速度 |
| 14 |
Run_EN |
BOOL |
變頻器返回的運行狀態(tài)信號 1 代表變頻器正在運行，0代表變頻已停止 |
| 15 |
D_Dir |
BOOL |
變頻器返回的運行方向信號 1 代表變頻器正轉，0代表變頻反轉 |
| 16 |
Inhibit |
BOOL |
變頻器返回的禁止狀態(tài)信號 1代表變頻器禁止，0代表變頻器開放。 |
| 17 |
Fault |
BOOL |
變頻器返回的故障狀態(tài)信號 1代表變頻器有故障，0代表變頻器五故障。 |
3、讀取變頻器參數(shù)的USS_RPM_X指令
讀取變頻器參數(shù)的指令包括USS_RPM_W; USS_RPM_D; USS_RPM_R三條指令，分別用于讀取變頻器的一個無符號字，一個無符號雙字和一個實數(shù)類型的參數(shù)，該指令的參數(shù)如表3所示：
表3 USS_RPM_X指令的參數(shù)
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序號 |
參數(shù) |
數(shù)據(jù)類型 |
參數(shù)功能 |
|
1 |
EN |
BOOL |
該位為1時啟動請求的發(fā)送，并且要保持該位為1直到Done位為1標志著整個參數(shù)讀取過程完成。 |
|
2 |
XMT-REQ |
BOOL |
該位為1時讀取參數(shù)指令的請求發(fā)送給此變頻器，該位和EN位通常用一個信號，但該請求通常用脈沖信號。 |
|
3 |
Drive |
BYTE |
該指令要讀的那臺變頻器的站地址。 |
|
4 |
bbbbb |
INT |
該指令要讀取的變頻器參數(shù)的編號。 |
|
5 |
Index |
INT |
該指令要讀取的變頻器參數(shù)的下標。 |
|
6 |
DB_Ptr |
DINT |
該參數(shù)指定16字節(jié)的存儲空間，用于存放向變頻器發(fā)送的命令。 |
|
7 |
Done |
BOOL |
該指令執(zhí)行完成標志位。 |
|
8 |
Error |
BYTE |
當指令執(zhí)行錯誤時該字節(jié)包含錯誤代碼。 |
|
9 |
Value |
INT |
由變頻器返回的參數(shù)值。 |
4、寫變頻器參數(shù)的USS_WPM_X指令
寫變頻器參數(shù)的指令包括USS_WPM_W; USS_WPM_D; USS_WPM_R三條指令，分別用于向指定變頻器寫入一個無符號字，一個無符號雙字和一個實數(shù)類型的參數(shù)，該指令的參數(shù)如表4所示：
表4 USS_WPM_X指令的參數(shù)
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序號 |
參數(shù) |
數(shù)據(jù)類型 |
參數(shù)功能 |
|
1 |
EN |
BOOL |
該位為1時啟動請求的寫操作，并且要保持該位為1直到Done位為1標志著整個參數(shù)的寫操作過程完成。 |
|
2 |
XMT-REQ |
BOOL |
該位為1時寫參數(shù)指令的請求發(fā)送給比變頻器，該位和EN位通常用一個信號，但該請求通常用脈沖信號。 |
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3 |
EEPROM |
BOOL |
該參數(shù)為1時寫入到變頻器的參數(shù)同時存儲在變頻器的EEPROM和ROM當中，該參數(shù)為0時寫入到變頻器的參數(shù)只存儲在變頻器的ROM當中。 |
|
4 |
Drive |
BYTE |
該指令要寫的那臺變頻器的站地址。 |
|
5 |
bbbbb |
INT |
該指令要寫的變頻器參數(shù)的編號。 |
|
6 |
Index |
INT |
該指令要寫的變頻器參數(shù)的下標。 |
|
7 |
Value |
DINT |
寫入到變頻器中的參數(shù)值。 |
|
8 |
DB_Ptr |
BOOL |
該參數(shù)指定16字節(jié)的存儲空間，用于存放向變頻器發(fā)送的命令。 |
|
9 |
Done |
BYTE |
該指令執(zhí)行完成標志位。 |
|
10 |
Error |
INT |
當指令執(zhí)行錯誤時該字節(jié)包含錯誤代碼。 |
四、在使用USS協(xié)議時變頻器的相關參數(shù)設定如下（以MM440為例）
1、P0003=3 允許訪問變頻器的所有參數(shù)。
2、P0970=1 允許變頻器通過參數(shù)復位。
3、P0700=5 變頻器的控制方式選擇為通訊方式。
4、P2010[2]=6 變頻器的USS波特率選擇為9600
5、P2011[0]=11 變頻器的USS地址0～31
五、應用實例
1、控制說明
自動化生產(chǎn)線運載小車是工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中一種非常實用的機械，它主要用在工廠的自動化生產(chǎn)上不同的生產(chǎn)線之間以及不同的工位之間的物料搬運。它的一個完整的動作周期包括：當一個工位需要裝配零件時，該工位的操作者在該工位的操作盤上輸入需要的零件名稱，輸入的信號通過MIS（或ERP）系統(tǒng)生成一個作業(yè)信息，該作業(yè)信息包括所需零件的存放位置，零件的外型尺寸及所需工位的工位號，然后，MIS（或ERP）系統(tǒng)把該作業(yè)信息發(fā)送到運載小車的控制系統(tǒng)中，如果運載小車正在作上次接收到作業(yè)，則本次下發(fā)的作業(yè)信息存儲到運載小車的作業(yè)隊列中，前面所接收到作業(yè)做完后執(zhí)行該作業(yè)，執(zhí)行該作業(yè)的步驟是運行到取料位置，根據(jù)零件的外型尺寸，決定取料時升降和左、右的運行位移，取料完成后，帶載運行到所需零件的工位.運載小車動作過程可分為前進、后退；上升、下降；向左、向右，三個方向的運動，在控制系統(tǒng)的設計上，前后運行采用一臺變頻器，上升下降運行采用一臺變頻器；左右運行采用一臺變頻器。控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的CPU226，CPU226和三臺變頻器之間采用USS協(xié)議進行通訊，系統(tǒng)的硬件配置如下圖所示：
圖1：系統(tǒng)的硬件配置圖
2、USS通訊的控制程序：
六、結語
本文主要介紹西門子S7-200和MicroMaster變頻器之間的通訊協(xié)議USS，使用USS通訊協(xié)議，用戶可以通過程序調用的方式實現(xiàn)S7-200和MicroMaster變頻器之間的通信，編程的工作量小，通訊網(wǎng)絡由PLC和變頻器內置的RS485通訊口和雙絞線組成，一臺S7-200最多可以和31臺變頻器進行通訊，這是一種費用低使用方便的通訊方式。.本系統(tǒng)已多次成功應用。
參考文獻：
1、《交流調速系統(tǒng)》劉競成 上海交大出版社 1998
2、《西門子MM440 變頻器用戶手冊》
3、《S7-200 用戶手冊》
Liuhongbin
（Automation college of Science & Technology Institute of Taiyuan 030024）
Abstract： Communication between PLC and inventer were been widely used in the various field of industry, and many manufacturer had developed their communication protocol （such as PROFIBUS,DEVICENET CONTROLNET）, this paper just give a brief introduction of USS protocol that was developed by Siemens Company, also give a example based on the S7-200 PLC and MM440 Inventor.
Key words: USS protocol、PLC、Inventor
作者聯(lián)系方式：
劉紅兵
電話：13503542621、0351-6997496
郵箱：LIUHONGMARCH@SINA.COM
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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