基于uss通信協(xié)議的西門子s7—1200PLC與MM420變頻器的無極調(diào)速的實現(xiàn)

摘 要：該無極調(diào)速的實現(xiàn)主要以西門子S7-1200系列的S7-1214plc（訂貨號：6ES7 214-1AG31-0XB0）控制機，以CM1241（訂貨號：6ES7 241-1CH30-0XB0）通信模塊，以西門子MM420（訂貨號： 6SE6 420-2UC17-5AA1）為控制對象，實現(xiàn)無極調(diào)速功能。對無極調(diào)速的架構(gòu)做了系統(tǒng)介紹，分析了變頻器的參數(shù)設(shè)定和USS協(xié)議，介紹了使用TIA V12對西門子PLC的程序設(shè)計實現(xiàn)功能的具體步驟。

關(guān)鍵詞：西門子；mm420；變頻器；無極調(diào)速

1 引言

隨著時代的發(fā)展，越來越多的設(shè)備要求采用無極調(diào)速的方式去控制，以減少負(fù)載慣性的影響而得到平滑曲線，從而使得設(shè)備運行更加穩(wěn)定，增長設(shè)備的實用壽命。無級調(diào)速一般情況下可以用機械和電氣兩個大類實現(xiàn)。機械式無極調(diào)速，可通過液壓控制來實現(xiàn)。電氣式無極調(diào)速則經(jīng)常通過變頻器控制三相異步電動機得以實現(xiàn)。由于變頻器的輸出頻率的外部控制方式可通過開關(guān)量、模擬量和通信的方式去控制，其中開關(guān)量只能實現(xiàn)多段速的控制方式，只有模擬量和通信方式才能真正實現(xiàn)無極調(diào)速，在本文中，所介紹的無極調(diào)速實現(xiàn)方式采用的是通信的方式。

在設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)場所，西門子PLC作為專用工業(yè)控制器，具有高可靠性和很強的抗干擾能力，配置靈活和完善的功能，因此在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。其中西門子最新的S7-1200系列PLC憑借著其極具特色的TIA編程軟件，集成化塊管理，使得其程序的編寫為越來越多的人所接收，故本文選用西門子S7-1200系列PLC，型號為S7-1214C，通過RS485模塊與變頻器MM420進行通信，從而實現(xiàn)對變頻器的無極調(diào)速的控制。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在該控制系統(tǒng)中，PLC作為主控制單元通過發(fā)送監(jiān)控指令，變頻器接收指令代碼，并對指令代碼進行分析，如果監(jiān)控指令符合USS通信協(xié)議的要求，則做出對應(yīng)的響應(yīng)，從而輸出控制三相異步電動機，實現(xiàn)無極調(diào)速的，同時，變頻器的輸出的信息，如電流、變壓及電壓也以分時響應(yīng)的方式反饋回來給到PLC，并通過觸摸屏KTP600進行電流、變壓及電壓的數(shù)值顯示。其中KTP600與1200PLC采用profinet的鏈接方式。系統(tǒng)控制圖如下圖1所示。該圖中，PLC與變頻器的接線方式采用的是半雙工的rs-485雙線制的方法，在工業(yè)環(huán)境下使用時建議裝設(shè)終端電阻，即在P+和N-輸入之間建議連接一個阻值為120的電阻，連接多個變頻器，還需在離控制器最遠的變頻器上安裝該電阻。個別情況下還需要在P+和24V，N-和0V之間安裝附加的偏置電阻，但是，一般情況下并不需要這些電阻，因為變頻器內(nèi)部已經(jīng)安裝有偏置電阻。RS485 系統(tǒng)的測試往往是在最簡單的配置下進行。故在本控制系統(tǒng)中，由于通信距離比較近，沒有增加任何的終端電阻和偏置電阻。

3 USS協(xié)議

欲使PLC用通信的方式控制變頻器，還應(yīng)該雙方遵循相同的協(xié)議。西門子的PLC有著固有的協(xié)議，在本文中MM420與s1214的通信采用的是USS通信協(xié)議。

USS協(xié)議又叫串行接口協(xié)議，該協(xié)議按照串行總線的主-從通訊原理來確定訪問的方法。總線上可以連接一個主站和最多31 個從站。主站根據(jù)通訊報文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站。在主站沒有要求它進行通訊時，從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)，各個從站之間也不能直接進行信息的傳輸。

USS協(xié)議每條報文都是以字符STX（=02hex）開始，接著是長度的說明（LGE）和地址字節(jié)（ADR）。然后是采用的數(shù)據(jù)字符。報文以數(shù)據(jù)塊的檢驗符（BCC）結(jié)束。其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

STX：STX 區(qū)是一個字節(jié)的ASCIISTX 字符（02hex），表示一條信息的開始。

LGE：LGE 區(qū)是一個字節(jié)，指明這一條信息中后跟的字節(jié)數(shù)目。按照USS 的技術(shù)說明，報文的長度是可以變化的，而且報文的長度必須在報文的第2個字節(jié)（即LGE）中說明。根據(jù)配置，可以把報文定義為固定的長度（參看PKE 和PZD 區(qū)的說明）。總線上的各個從站結(jié)點可以采用不同長度的報文。MICROMASTER4 既可以采用變化的報文長度，也可以采用固定的報文長度。采用哪種報文長度由參數(shù)P2012 和P2013 來定義PZD 和PKW 的長度。最常用的固定長度是4個字（8字節(jié)）的PKW區(qū)和2個字（4字節(jié)）的PZD 區(qū)，共有12 個數(shù)據(jù)字符。

ADR：ADR 區(qū)是一個字節(jié)，是從站結(jié)點（即變頻器）的地址。其中該字節(jié)的第5位是廣播位。如果這一位設(shè)置為1，該信息就是廣播信息，對串行鏈路上的所有信息都有效。

BCC BCC 區(qū)是長度為一個字節(jié)的校驗和，用于檢查該信息是否有效。它是該信息中BCC 前面所有字節(jié)“異或”運算的結(jié)果。如果根據(jù)校驗和的運算結(jié)果，表明變頻器接收到的信息是無效的，它將丟棄這一信息，并且不向主站發(fā)出應(yīng)答信號。

在本功能的實現(xiàn)中，采用的是4個字（8字節(jié)）的PKW區(qū)和2個字的PZD 區(qū)。即其通信格式如下圖3所示：

PKW區(qū)說明參數(shù)識別ID-數(shù)值（PKW）接口的處理方式。PKW接口并非物理意義上的接口，而是一種機理，這一機理確定了參數(shù)在兩個通訊伙伴之間（例如控制裝置與變頻器）的傳輸方式，例如參數(shù)數(shù)值的讀和寫。

PZD區(qū)是為控制和監(jiān)測變頻器而設(shè)計的。在主站和從站中收到的PZD總是以最高的優(yōu)先級加以處理。處理PZD的優(yōu)先級高于處理PKW的優(yōu)先級，而且，總是傳送接口上當(dāng)前最新的。

PKE和IND是PKW區(qū)前兩個字信息是，關(guān)于主站請求的任務(wù)（任務(wù)識別標(biāo)記ID）或應(yīng)答報文的類型（應(yīng)答識別標(biāo)記ID）。PWE1和PWE2是PKW區(qū)的后兩個字信息，規(guī)定報文中要訪問的變頻器的參數(shù)號（PNU）。PNU 的編號與MICROMASTER4 的參數(shù)號相對應(yīng)，例如1082=P1082=Fmax。

PKE字：bit10～bit00是基本參數(shù)號，bit11=0，bit15～bit12為任務(wù)或應(yīng)答識別標(biāo)記ID，bit15～bit12=1H表示讀參數(shù)，bit15～bit12=3H表示修改參數(shù)數(shù)值（雙字）[只是修改RAM]。bit15～bit12=DH修改參數(shù)數(shù)值（雙字）[同時修改RAM和EEPROM]。

IND字：bit07～bit00是參數(shù)下標(biāo)，bit11～bit08=0000H，bit15～bit12代表參數(shù)的加權(quán)，即2000*2bit15～bit12，故實際參數(shù)號應(yīng)該為：bit10～bit00[PKE]+2000*2bit15～bit12[IND]。

PWE1 和PWE2字：是被訪問參數(shù)的數(shù)值。

PZD1為是變頻器的控制字。其控制方式如下表1所示。

PZD2為主頻率設(shè)定值。如果P2009 設(shè)置為0，數(shù)值是以十六進制數(shù)的形式發(fā)送，即4000（hex）為P2000 設(shè)定的頻率。如果P2009 設(shè)置為1，數(shù)值是以絕對十進制數(shù)的形式發(fā)送（即4000（十進制）（=0FA0hex）為P2000 設(shè)定的頻率。

4 變頻器參數(shù)的設(shè)定

按下列要求設(shè)置變頻器MM440與通信有關(guān)的參數(shù)：

4.1 P0700[0]=5，命令源為遠程控制方式，即通過RS485的USS通信接收命令。

4.2 Pl000[O]=5，頻率設(shè)定源來RS-485的USS通信。

4.3 P2000[0]=50.0Hz，為基準(zhǔn)頻率，它是串行鏈路或模擬量輸入的滿刻度頻率設(shè)定值。

4.4 P2010[0]=9，即Rs485串行接口的波特率為9600Hz。

4.5 P20l1[0]=1，USS從站地址為1。

4.6 P2012[0]=2，USS協(xié)議的過程數(shù)據(jù)PZD的長度）為2個字。

4.7 P2013[0]=4，USS協(xié)議的參數(shù)標(biāo)示符PKW的長度）為4個字。

5 s7-1200的組態(tài)與編程

5.1 進行硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)定

打開S7-1200的編程軟件STIA Portal V12中生成一一個項目，打開設(shè)備視圖，將硬件目錄窗口中的CPU1214C DC/DC/DC模塊，訂貨號：6ES7 214-1AG31-0XB0拖放CPU槽中，將CM1241（訂貨號：6ES7 241-1CH30-0XB0）拖放CPU左邊的10l號槽，并對其端口進行波特率9.6kbps，無奇偶校驗，8位/字符，停止位1位設(shè)定。

5.2 進行程序編寫

5.2.1 對USS_PORT進行編程

“USS_PORT”指令處理USS程序段上的通信。在程序中，每個PtP通信端口使用一條“USS_PORT”指令來控制與一個驅(qū)動器的傳輸。分配給一個USS網(wǎng)絡(luò)和一個PtP通信端口的所有 USS 指令必須使用同一個背景數(shù)據(jù)塊。程序必須經(jīng)常執(zhí)行“USS_PORT”指令以避免驅(qū)動器超時。因此，從循環(huán)中斷OB中調(diào)用“USS_PORT”指令可避免驅(qū)動器超時并始終為“USS_DRIVE”調(diào)用提供最新的USS數(shù)據(jù)更新。

添加一個定時中斷（Cyclic interrupt）子程序，在子程序中添加以下程序：

5.2.2 對USS_ DRIVE進行編程

“USS_DRIVE”指令通過創(chuàng)建請求消息和解釋驅(qū)動器響應(yīng)消息來與驅(qū)動器交換數(shù)據(jù)。必須針對每個驅(qū)動器使用一條單獨的指令，但分配給一個USS程序段和一個PtP通信模塊的所有USS指令都必須使用同一個背景數(shù)據(jù)塊。

在編程第一條“USS_DRIVE”指令時必須創(chuàng)建DB名稱。然后，在插入初始指令時重用該 DB。在首次執(zhí)行“USS_DRIVE”指令時，USS 地址（DRIVE 參數(shù)）表示的驅(qū)動器在背景 DB 中初始化。在這次初始化后，后續(xù)“USS_PORT”指令可以啟動與該驅(qū)動器編號所對應(yīng)的驅(qū)動器的通信。

在主程序中編寫以下程序。如圖5

5.2.3 對USS_WPM進行編程

“USS_WPM”指令可修改驅(qū)動器中的參數(shù)。如圖6

5.2.4 對USS_RPM進行編程

“USS_RPM”指令可從驅(qū)動器讀取參數(shù)。如圖7

6 結(jié)束語

西門子s7-1200系列PLC控制mm420變頻器實現(xiàn)無極調(diào)速的功能，由于采取的是組態(tài)是編寫方式，不必像三菱PLC與變頻器那樣需要針對每個寄存器去計算其數(shù)值，相對而言，極大地較少了工程人員的工作量；而且在對USS協(xié)議了解的基礎(chǔ)上采用這種方法對變頻器的任何一個參數(shù)進行修改。

參考文獻

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