西門子S7-1200 PLC在當前的市場中有著廣泛的應用，作為常與變頻器共同使用的PLC，其與西門子MM440 變頻器的USS通信一直在市場上有著非常廣泛的應用。本文將主要介紹如何使用USS通信協議來實現S7-1200與MM440變頻器的通信。

1. USS通信介紹

1.1. USS協議特點
USS (Universal Serial Interface, 即通用串行通信接口) 是西門子專為驅動裝置開發的通信協議。USS 協議的基本特點如下：

? 支持多點通信（因而可以應用在 RS 485 等網絡上）
? 采用單主站的“主－從”訪問機制
? 每個網絡上最多可以有 32 個節點（最多 31 個從站）
? 簡單可靠的報文格式，使數據傳輸靈活高效
? 容易實現，成本較低

USS 的工作機制是，通信總是由主站發起，USS 主站不斷循環輪詢各個從站，從站根據收到的指令，決定是否以及如何響應。從站永遠不會主動發送數據。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，或者主站發出的是廣播報文，從站不會做任何響應。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發回響應。否則主站將視為出錯。
USS 的字符傳輸格式符合 UART 規范，即使用串行異步傳輸方式。USS 在串行數據總線上的字符傳輸幀為 11 位長度，如表1所示：

表1：USS字符幀

USS 協議的報文簡潔可靠，高效靈活。報文由一連串的字符組成，協議中定義了它們的特
定功能，表2所示：

表2：USS報文結構

每小格代表一個字符（字節）。其中：
STX： 起始字符，總是 02 h
LGE： 報文長度
ADR：從站地址及報文類型
BCC： BCC 校驗符
凈數據區由 PKW 區和 PZD 區組成，如表3所示：

表3：USS凈數據區

PKW： 此區域用于讀寫參數值、參數定義或參數描述文本，并可修改和報告參數的改變 。其中：

• PKE： 參數 ID。包括代表主站指令和從站響應的信息，以及參數號等
• IND： 參數索引，主要用于與 PKE 配合定位參數
• PWEm：參數值數據

PZD： 此區域用于在主站和從站之間傳遞控制和過程數據。控制參數按設定好的固定格式在主、從站之間對應往返。如：

• PZD1：主站發給從站的控制字/從站返回主站的狀態字
• PZD2： 主站發給從站的給定/從站返回主站的實際反饋

根據傳輸的數據類型和驅動裝置的不同，PKW 和 PZD 區的數據長度都不是固定的，它們可以靈活改變以適應具體的需要。但是，在用于與控制器通信的自動控制任務時，網絡上的所有節點都要按相同的設定工作，并且在整個工作過程中不能隨意改變。
注意：
對于不同的驅動裝置和工作模式，PKW 和 PZD 的長度可以按一定規律定義。 一旦確定就不能在運行中隨意改變 ；
PKW 可以訪問所有對 USS 通信開放的參數；而 PZD 僅能訪問特定的控制和過程數據；
PKW 在許多驅動裝置中是作為后臺任務處理，因此 PZD 的實時性要比 PKW 好。

1.2. S7-1200 USS通信簡介

CM 1241 RS485 模塊通過 RS485 端口與MM440進行通信。 可使用 USS 庫控制MM440和讀/寫MM440參數。該庫提供 1 個 FB 和 3 個 FC 來支持 USS 協議。 每個 CM1241 RS485 通信模塊最多支持 16 個MM440。連接到一個 CM 1241 RS485 的所有MM440（最多 16 個）是同一 USS 網絡的一部分。連接到另一 CM 1241 RS485 的所有MM440是另一 USS 網絡的一部分。 因為 S7-1200最多支持三個 CM 1241 RS485 設備，所以用戶最多可建立三個 USS 網絡，每個網絡最多 16 個MM440，總共支持 48 個 USS MM440。各 USS 網絡使用各自唯一的數據塊進行管理（使用三個 CM 1241 RS485 設備建立三個 USS網絡需要三個數據塊）。 同一USS 網絡相關的所有指令必須共享該數據塊。 這包括用于控制網絡上所有MM440的 USS_DRV、USS_PORT、USS_RPM 和USS_WPM 指令。

2. 硬件需求及接線

2.1. 硬件需求
S7-1200 PLC目前有3種類型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
這三種類型的CPU都可以使用USS通信協議通過通信模塊CM1241 RS485來實現S7-1200與MM440變頻器的通信。
本例中使用的PLC硬件為：
1） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
2) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
3) CSM 1277 ( 6GK7 277 -1AA00 - 0AA0)
本例中使用的MM440變頻器硬件為：
1） MM440 （ 6SE6440 - 2AB11 - 2AA1 ）
2） MICROMASTER 4 ENCODER MODULE （ 6SE6400 - 0EN00 - 0AA0 ）
3） SIEMENS MOTOR （ 1LA7060 - 4AB10 - Z ）
4） USS 通信電纜 ( 6XV1830 - 0EH10 )

2.2. 接線
建議使用西門子的網絡插頭和PROFIBUS電纜。在 S7-1200 CPU 通信口上使用西門子網絡插頭。
PROFIBUS 電纜的紅色導線B 即 RS 485 信號 +，此信號應當連接到 MM 440 通信端口的 P+；綠色導線A 即 RS 485 信號 -，此信號應當連接到 MM 440 通信端口的 N-。

 
圖1： MM440接線端子                                       表4：MM440端子定義

因為MM 440 通信口是端子連接，所以 PROFIBUS 電纜不需要網絡插頭，而是剝出線頭直接壓在端子上。如果還要連接下一個驅動裝置，則兩條電纜的同色芯線可以壓在同一個端子內。PROFIBUS 電纜的紅色芯線應當壓入端子 29；綠色芯線應當連接到端子 30，如圖1、表4所示。完整接線圖如圖2所示。

圖2： S7-1200與MM440接線圖

a. 屏蔽/保護接地母排，或可靠的多點接地。此連接對抑制干擾有重要意義。
b. PROFIBUS 網絡插頭，內置偏置和終端電阻。
c. MM 440 端的偏置和終端電阻。
d. 通信口的等電位連接。可以保護通信口不致因共模電壓差損壞或通信中斷。
e. 雙絞屏蔽電纜（PROFIBUS）電纜，因是高速通信，電纜的屏蔽層須雙端接地（接 PE）。
注意，以下幾點對網絡的性能有極為重要的影響。幾乎所有網絡通信質量方面的問題都與未考慮到下列事項有關：

? 偏置電阻用于在復雜的環境下確保通信線上的電平在總線未被驅動時保持穩定；終端電阻用于吸收網絡上的反射信號。一個完善的總線型網絡必須在兩端接偏置和終端電阻。
? 通信口 M 的等電位連接建議單獨采用較粗的導線 ，而不要使用 PROFIBUS 的屏蔽層，因為此連接上可能有較大的電流，以致通信中斷。
? PROFIBUS 電纜的屏蔽層要盡量大面積接 PE。一個實用的做法是在靠近插頭、接線端子處環剝外皮，用壓箍將裸露的屏蔽層壓緊在 PE 接地體上（如 PE 母排或良好接地的裸露金屬安裝板）。
? 通信線與動力線分開布線；緊貼金屬板安裝也能改善抗干擾能力。驅動裝置的輸入/輸出端要盡量采用濾波裝置，并使用屏蔽電纜。
? 在 MM 440 的包裝內提供了終端偏置電阻元件，接線時可按說明書直接壓在端子上。如果可能，可采用熱縮管將此元件包裹，并適當固定。

3. 組態
我們通過下述的實際操作來介紹如何在Step7 Basic V10.5 中組態S7-1214C 和MM440變頻器的USS通信。

3.1. PLC 硬件組態

首先在Step7 Basic V10.5中建立一個項目，如圖3所示。

圖3： 新建S7 1200項目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模塊CM1241 RS485模塊，如圖4所示：

圖4： S7 1200硬件配置

在CPU的屬性中，設置以太網的IP地址，建立PG與PLC的連接，如圖5所示。

圖5： S7 1200 IP地址的設置

3.2. MM440參數設置

我們假定已經完成了驅動裝置的基本參數設置和調試（如電機參數辨識等等），以下只涉及與 S7-1200 控制器連接相關的參數。
MM 440 的參數分為幾個訪問級別，以便于過濾不需要查看的部分。 與 S7-1200 連接時，需要設置的主要有“控制源”和“設定源”兩組參數。要設置此類參數，需要“專家”參數訪問級別，即首先需要把 P0003 參數設置為 3。
控制源參數設置：
控制命令控制驅動裝置的啟動、停止、正/反轉等功能。控制源參數設置決定了驅動裝置從何種途徑接受控制信號，如表5所示。

表5：控制源由參數 P0700 設置

此參數有分組，在此僅設第一組，即 P0700[0]。
設定源控制參數：
設定值控制驅動裝置的轉速/頻率等功能。設定源參數決定了驅動裝置從哪里接受設定值（即給定），如表6所示。

表6：設定源由參數 P1000 設置

此參數有分組，在此僅設第一組，即 P1000[0]。
控制源和設定源之間可以自由組合，根據工藝要求可以靈活選用。我們以控制源和設定源都來自 COM Link 上的 USS 通信為例，簡介 USS 通信的參數設置。

主要參數有：
1. P0700： 設置 P0700[0] = 5，即控制源來自 COM Link 上的 USS 通信；
2. P1000： 設置 P1000[0] = 5，即設定源來自 COM Link 上的 USS 通信；
3. P2009： 決定是否對 COM Link 上的 USS 通信設定值規格化，即設定值將是運轉頻率的百分比形式，還是絕對頻率值。為0，不規格化 USS 通信設定值，即設定為MM440中的頻率設定范圍的百分比形式；為1，對 USS 通信設定值進行規格化，即設定值為絕對的頻率數值；
4. P2010： 設置 COM Link 上的 USS 通信速率。根據 S7-1200 通信口的限制，支持的通信波特率如表7所示。

4	2400 bit/s
5	4800 bit/s
6	9600 bit/s
7	19200 bit/s
8	38400 bit/s
9	57600 bit/s
12	115200 bit/s

表7：通信波特率

5. P2011： 設置 P2011[0] = 0 至 31，即驅動裝置 COM Link 上的 USS 通信口在網絡上的從站地址；
6. P2012： 設置 P2012[0] = 2，即 USS PZD 區長度為 2 個字長；
7. P2013： 設置 P2013[0] = 4；
8. P2014： 設置 P2014[0] = 0 至 65535，即 COM Link 上的 USS 通信控制信號中斷超時時間，單位為 ms；如設置為 0，則不進行此端口上的超時檢查；
9. P0971： 設置 P0971 = 1，上述參數將保存入MM 440 的 EEPROM 中。

4. USS通信原理與編程的實現

4.1 S7 1200 PLC與MM440 通過USS通信的基本原理

S7 1200提供了專用的USS庫進行USS通信，如圖6所示：

圖6：S7 1200 專用的USS庫

USS_DRV功能塊通過USS_DRV_DB數據塊實現與USS_PORT功能塊的數據接收與傳送，而USS_PORT功能塊是S7-1200 PLC CM1241 RS485模塊與MM440之間的通信接口。USS_RPM功能塊和USS_WPM功能塊與MM440的通信與USS_DRV功能塊的通信方式是相同的。如圖7所示。

圖7：通信結構圖

4.2. 功能塊使用介紹
USS_DRV 功能塊是S7-1200 USS通信的主體功能塊，接受MM440的信息和控制MM440的指令都是通過這個功能快來完成的。必須在主 OB中調用。
USS_PORT功能塊是S7-1200與MM440進行USS通信的接口，主要設置通信的接口參數。可在主OB或中斷OB中調用。
USS_RPM功能塊是通過USS通信讀取MM440的參數。必須在主 OB中調用。
USS_WPM功能塊是通過USS通信設置MM440的參數。必須在主 OB中調用。

4.3. S7 1200 PLC進行USS通信的編程

4.3.1. USS_DRV功能塊的編程

USS_DRV功能塊的編程如圖8所示。

圖8： USS_DRV功能塊的編程

USS_DRV功能塊用來與MM440進行交換數據，從而讀取MM440的狀態以及控制MM440的運行。每個MM440使用唯一的一個USS_DRV功能塊，但是同一個CM1241 RS485模塊的USS網絡的所有MM440（最多16個）都使用同一個USS_DRV_DB。

USS_DRV_DB：          指定MM440進行USS通信的數據塊。
RUN：                          指定DB塊的MM440啟動指令。
OFF2：                        緊急停止，自由停車。     該位為0時停車。
OFF3：                        快速停車，帶制動停車。該位為0時停車。
F_ACK：                      MM440故障確認。
DIR ：                          MM440控制電機的轉向。
SPEED_SP：               MM440的速度設定值。
NDR：                          新數據就緒。
ERROR：                     程序輸出錯誤。
RUN_EN：                    MM440運行狀態指示。
D_DIR：                       MM440運行方向狀態指示。
INHIBIT：                      MM440是否被禁止的狀態指示。
FAULT：                      MM440故障。
SPEED：                      MM440的反饋的實際速度值。
DRIVE：                       MM440的USS站地址。MM440參數P2011設置。
PZD_LEN：                PZD數據的字數，有效值2，4，6或8個字。MM440參數P2012設置。

4.3.2. USS通信接口參數功能塊的編程
USS通信接口參數功能塊的編程如圖9所示。

圖9： USS通信接口參數功能塊的編程

USS_PORT功能塊用來處理USS網絡上的通信，它是S71200 CPU與MM440的通信接口。每個CM1241 RS485模塊有且必須有一個USS_PORT功能塊。
PORT： 通信模塊標識符：在默認變量表的“常量”(Constants) 選項卡內引用的常量。
BAUD： 指的是和MM440進行通行的速率。 MM440的參數P2010種進行設置。
USS_DB： 引用在用戶程序中放置 USS_DRV 指令時創建和初始化的背景數據塊。

ERROR： 輸出錯誤。
STATUS：掃描或初始化的狀態。
USS_PORT 功能通過RS485通信模塊處理 CPU 和變頻器之間的實際通信。 每次調用此功能可處理與一個變頻器的一次通信。 用戶程序必須盡快調用此功能以防止與變頻器通信超時。 可在主 OB 或任何中斷 OB 中調用此功能。通常從循環中斷 OB 調用USS_PORT 以防止變頻器超時以及使 USS_DRV 調用的 USS 數據保持最新。
S7-1200 PLC與MM440的通信是與它本身的掃描周期不同步的，在完成一次與MM440的通信事件之前，S7-1200通常完成了多個掃描。
USS_PORT通信的時間間隔是S7-1200與MM440通信所需要的時間，不同的通信波特率對應的不同的USS_PORT通信間隔時間。表8列出了不同的波特率對應的USS_PORT最小通信間隔時間。

表8：不同的波特率對應的USS_PORT最小通信間隔時間

USS_PORT在發生通信錯誤時，通常進行3次嘗試來完成通信事件，那么S7-1200與MM440通信的時間就是USS_PORT發生通信超時的時間間隔。例如：如果通信波特率是9600，那么USS_PORT與MM440通信的時間間隔應當大于最小的調用時間間隔，即大于116.3毫秒而小于349毫秒。S7-1200 USS 協議庫默認的通信錯誤超時嘗試次數是2次。
基于以上的USS_PORT通信時間的處理，建議在循環中斷OB塊中調用USS_PORT通信功能塊。在建立循環中斷OB塊時，我們可以設置循環中斷OB塊的掃描時間，以滿足通信的要求。循環中斷OB塊的掃描時間的設置如圖10所示：

圖10：循環中斷OB塊的掃描時間的設置

4.3.3. USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊的編程 如圖11所示。

圖11：USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊用于通過USS通信從MM440讀取參數。

REQ：       讀取參數請求。
DRIVE：   MM440的USS站地址。
PARAM： MM440的參數代碼。
INDEX：   MM440的參數索引代碼
USS_DB：指定MM440進行USS通信的數據塊。
DONE：    讀取參數完成。
ERROR：  讀取參數錯誤。
STATUS：讀取參數狀態代碼。
VALUE：  所讀取的參數的值。

注意：進行讀取參數功能塊編程時，各個數據的數據類型一定要正確對應。

4.3.4. USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM功能塊的編程如圖12所示。

圖12：USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM功能塊用于通過USS通信設置MM440的參數。

REQ：       寫參數請求。
DRIVE：    MM440的USS站地址。
PARAM：  MM440的參數代碼。
INDEX：    MM440的參數索引代碼。
EEPROM：把參數存儲到MM440的EEPROM。
VALUE：   設置參數的值。
USS_DB：指定MM440進行USS通信的數據塊。
DONE：    讀取參數完成。
ERROR：  讀取參數錯誤狀態。

注意：對寫入參數功能塊編程時，各個數據的數據類型一定要正確對應。

4.3.5. 常見錯誤

如果讀寫同時使能，則報錯818A：參數請求通道正在被本變頻器的另一請求占用。如圖13所示。

圖13：讀寫同時使能報錯

如果通信斷開，則PORT報錯818B，如圖14所示。

圖14：通信斷開報錯

如果速度設定值不正確，則報錯8186，如圖15所示。

圖15：速度設定值錯誤

關鍵詞
USS 協議，S7-1200，MM440，變頻器