USS通訊在交流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文主要介紹了西門(mén)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(yīng)用。
關(guān)鍵詞：USS、PLC、變頻器
中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

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(lái)控制變頻器的啟停，依靠PLC的模擬輸出來(lái)控制變頻器的速度給定，這樣做存在以下問(wèn)題：
1、需要控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用很多硬件，價(jià)格昂貴
2、現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)作時(shí)間有延時(shí)，影響控制精度。
5、通常變頻器的故障狀態(tài)由一個(gè)接點(diǎn)輸出，PLC能得到變頻器的故障狀態(tài)，但不
能準(zhǔn)確的判斷當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，變頻器是何種故障。

如果PLC通過(guò)與變頻器進(jìn)行通訊來(lái)進(jìn)行信息交換，可以有效地解決上述問(wèn)題，通訊方式使用的硬件少，傳送的信息量大，速度快，等特點(diǎn)可以有效地解決上述問(wèn)題，另外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以連續(xù)地對(duì)多臺(tái)變頻器進(jìn)行監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器之間的聯(lián)動(dòng)控制和同步控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)時(shí)的調(diào)整變頻器的參數(shù)。

目前各個(gè)廠家的變頻器都相繼的開(kāi)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(chǎng)總線（如：DEVICENET、PROFIBUS、AS_I）等的接口協(xié)議，可以很方便的與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文主要介紹西門(mén)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(hù)可以通過(guò)程序調(diào)用的方式實(shí)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(luò)由PLC和變頻器內(nèi)置的RS485通訊口和雙絞線組成，一臺(tái)S7-200最多可以和31臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊，這是一種費(fèi)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(mén)子變頻器都帶有一個(gè)RS485通訊口，PLC作為主站，最多允許31個(gè)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(wèn)需要通訊的變頻器，只有主站才能發(fā)出通訊請(qǐng)求報(bào)文，報(bào)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(qǐng)求報(bào)文后才可以向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在使用USS協(xié)議之前，需要先安裝西門(mén)子的指令庫(kù)。USS協(xié)議指令在STEP7—MICRO/WIN32指令樹(shù)的庫(kù)文件夾中，STEP7—MICRO/WIN32指令庫(kù)提供14個(gè)子程序、3個(gè)中斷程序和8條指令來(lái)支持USS協(xié)議。調(diào)用一條指令時(shí)，將會(huì)自動(dòng)地增加一個(gè)或幾個(gè)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(yīng)端口不能在做其它用途，包括與STEP7-WICRO/WIN32的通訊，只有通過(guò)執(zhí)行另外一條USS指令或?qū)LC——CPU的模式開(kāi)關(guān)撥到RUN或STOP狀態(tài)，才能鐘新在進(jìn)行PPI通訊，當(dāng)PLC和與變頻器通訊中斷時(shí)，變頻器將停止運(yùn)行，所以在本例中選擇CPU226 因?yàn)樗袃蓚€(gè)通訊端口，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)口用于USS通訊時(shí)，第二個(gè)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(chǔ)空間和400個(gè)字節(jié)的變量存儲(chǔ)區(qū)間
2）變頻器的通訊與CPU的掃描時(shí)異步的，完成一次變頻器的通訊通常需要幾個(gè)CPU的掃描周期，通訊時(shí)間和鏈路上變頻器的臺(tái)數(shù)、波特率和掃描周期有關(guān)，本例中通訊的波特率設(shè)定為19200，變頻器的臺(tái)數(shù)為3臺(tái)，經(jīng)實(shí)際調(diào)試檢測(cè)通訊時(shí)間大約為50ms.

二、使用USS協(xié)議的步驟：
1）安裝指令庫(kù)后在STEP7-Micro/win32指令樹(shù)的/指令/庫(kù)/USS PROTOOL文件夾中將出現(xiàn)8條指令，用它門(mén)來(lái)控制變頻器的運(yùn)行和變頻器參數(shù)的讀寫(xiě)操作，這些子程序是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的用戶(hù)不需要關(guān)注這些指令的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需要在程序中調(diào)用即可。
2）調(diào)用USS—INIT初始化改變USS的通訊參數(shù)，只需要調(diào)用一次即可，在用戶(hù)程序中每一個(gè)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(kù)分配V存儲(chǔ)區(qū)。在用戶(hù)程序中調(diào)用USS指令后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊指令書(shū)中的程序塊圖標(biāo)，在探出的菜單中執(zhí)行庫(kù)內(nèi)存命令，為USS指令庫(kù)使用的397個(gè)字節(jié)的V存儲(chǔ)區(qū)指定起始地址，
4）用變頻器的操作面板設(shè)置變頻器的通訊參數(shù)，使之與用戶(hù)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(shuō)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(dāng)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：

序號(hào)	參數(shù)	數(shù)據(jù)類(lèi)型	參數(shù)功能
1	EN	BOOL	該位為1時(shí)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(shè)定鏈路上的哪個(gè)變頻器被激活，ACTIVE共32位，0～31分別對(duì)應(yīng)通訊鏈路上的0到31臺(tái)變頻器。例如：ACTIVE的給定值為 16#0000 0000 0000 0010時(shí)，表示鏈路上的第二臺(tái)變頻器被激活。被激活的變頻器自動(dòng)地與主站PLC進(jìn)行通訊，以控制其運(yùn)行和采集其狀態(tài)。
5	DONE	BIT	當(dāng)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(cuò)誤時(shí)該字節(jié)包含錯(cuò)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(tái)變頻器只能使用一條這樣的指令，該指令將用戶(hù)命令放在一個(gè)通訊緩沖區(qū)內(nèi)，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(nèi)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：

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(gè)無(wú)符號(hào)字，一個(gè)無(wú)符號(hào)雙字和一個(gè)實(shí)數(shù)類(lèi)型的參數(shù)，該指令的參數(shù)如表3所示：

序號(hào)	參數(shù)	數(shù)據(jù)類(lèi)型	參數(shù)功能
1	EN	BOOL	該位為1時(shí)啟動(dòng)請(qǐng)求的發(fā)送，并且要保持該位為1直到Done位為1標(biāo)志著整個(gè)參數(shù)讀取過(guò)程完成。
2	XMT-REQ	BOOL	該位為1時(shí)讀取參數(shù)指令的請(qǐng)求發(fā)送給此變頻器，該位和EN位通常用一個(gè)信號(hào)，但該請(qǐng)求通常用脈沖信號(hào)。
3	Drive	BYTE	該指令要讀的那臺(tái)變頻器的站地址。
4	Param	INT	該指令要讀取的變頻器參數(shù)的編號(hào)。
5	Index	INT	該指令要讀取的變頻器參數(shù)的下標(biāo)。
6	DB_Ptr	DINT	該參數(shù)指定16字節(jié)的存儲(chǔ)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(biāo)志位。
8	Error	BYTE	當(dāng)指令執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)該字節(jié)包含錯(cuò)誤代碼。
9	Value	INT	由變頻器返回的參數(shù)值。

4、寫(xiě)變頻器參數(shù)的USS_WPM_X指令

寫(xiě)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(xiě)入一個(gè)無(wú)符號(hào)字，一個(gè)無(wú)符號(hào)雙字和一個(gè)實(shí)數(shù)類(lèi)型的參數(shù)，該指令的參數(shù)如表4所示：

序號(hào)	參數(shù)	數(shù)據(jù)類(lèi)型	參數(shù)功能
1	EN	BOOL	該位為1時(shí)啟動(dòng)請(qǐng)求的寫(xiě)操作，并且要保持該位為1直到Done位為1標(biāo)志著整個(gè)參數(shù)的寫(xiě)操作過(guò)程完成。
2	XMT-REQ	BOOL	該位為1時(shí)寫(xiě)參數(shù)指令的請(qǐng)求發(fā)送給比變頻器，該位和EN位通常用一個(gè)信號(hào)，但該請(qǐng)求通常用脈沖信號(hào)。
3	EEPROM	BOOL	該參數(shù)為1時(shí)寫(xiě)入到變頻器的參數(shù)同時(shí)存儲(chǔ)在變頻器的EEPROM和ROM當(dāng)中，該參數(shù)為0時(shí)寫(xiě)入到變頻器的參數(shù)只存儲(chǔ)在變頻器的ROM當(dāng)中。
4	Drive	BYTE	該指令要寫(xiě)的那臺(tái)變頻器的站地址。
5	Param	INT	該指令要寫(xiě)的變頻器參數(shù)的編號(hào)。
6	Index	INT	該指令要寫(xiě)的變頻器參數(shù)的下標(biāo)。
7	Value	DINT	寫(xiě)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(chǔ)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(biāo)志位。
10	Error	INT	當(dāng)指令執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)該字節(jié)包含錯(cuò)誤代碼。

四、在使用USS協(xié)議時(shí)變頻器的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下（以MM440為例）

1、P0003=3 允許訪問(wèn)變頻器的所有參數(shù)。
2、P0970=1 允許變頻器通過(guò)參數(shù)復(fù)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(yīng)用實(shí)例

1、控制說(shuō)明

自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)載小車(chē)是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中一種非常實(shí)用的機(jī)械，它主要用在工廠的自動(dòng)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(yùn)。它的一個(gè)完整的動(dòng)作周期包括：當(dāng)一個(gè)工位需要裝配零件時(shí)，該工位的操作者在該工位的操作盤(pán)上輸入需要的零件名稱(chēng)，輸入的信號(hào)通過(guò)MIS（或ERP）系統(tǒng)生成一個(gè)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(hào)，然后，MIS（或ERP）系統(tǒng)把該作業(yè)信息發(fā)送到運(yùn)載小車(chē)的控制系統(tǒng)中，如果運(yùn)載小車(chē)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(chǔ)到運(yùn)載小車(chē)的作業(yè)隊(duì)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(yùn)行到取料位置，根據(jù)零件的外型尺寸，決定取料時(shí)升降和左、右的運(yùn)行位移，取料完成后，帶載運(yùn)行到所需零件的工位.運(yùn)載小車(chē)動(dòng)作過(guò)程可分為前進(jìn)、后退；上升、下降；向左、向右，三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，前后運(yùn)行采用一臺(tái)變頻器，上升下降運(yùn)行采用一臺(tái)變頻器；左右運(yùn)行采用一臺(tái)變頻器。控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列的CPU226，CPU226和三臺(tái)變頻器之間采用USS協(xié)議進(jìn)行通訊，系統(tǒng)的硬件配置如下圖所示：

2、USS通訊的控制程序：

六、結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹西門(mén)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(hù)可以通過(guò)程序調(diào)用的方式實(shí)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(luò)由PLC和變頻器內(nèi)置的RS485通訊口和雙絞線組成，一臺(tái)S7-200最多可以和31臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊，這是一種費(fèi)用低使用方便的通訊方式。.本系統(tǒng)已多次成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
1、《交流調(diào)速系統(tǒng)》劉競(jìng)成 上海交大出版社 1998
2、《西門(mén)子MM440 變頻器用戶(hù)手冊(cè)》
3、《S7-200 用戶(hù)手冊(cè)》

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

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劉紅兵
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