摘要：為了降低工業(yè)現(xiàn)場的電機(jī)能耗，以S7-200PLC為控制主站，采用USS串行通信的方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PLC控制多個變頻器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通信控制程序編寫與MM440變頻器設(shè)置容易實(shí)現(xiàn)，底層設(shè)備布線簡單，容易被技術(shù)人員接受。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，整個系統(tǒng)可以完成分段調(diào)速、無級調(diào)速等控制要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有很強(qiáng)的實(shí)用性和較高的性價比。

　　關(guān)鍵詞：USS通信，MM440變頻器，S7-200PLC，觸摸屏

　　0 引言

　　隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的日益發(fā)展，電動機(jī)的調(diào)速已不再是單一調(diào)速系統(tǒng)的概念。發(fā)展到今天的變頻器調(diào)速控制，在工業(yè)各個領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，如在紡織、輕工業(yè)、建材等領(lǐng)域，一種常見調(diào)速系統(tǒng)的是由PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)多臺電動機(jī)的調(diào)速控制，這種調(diào)速系統(tǒng)可以在PLC與變頻器網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多臺電機(jī)的變頻調(diào)速[1]。

　　控制系統(tǒng)可以把觸摸屏、PLC和變頻器用總線連接起來，通過下載到觸摸屏中的項(xiàng)目組件和PLC中的程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的變頻控制，包括啟停、正反轉(zhuǎn)、多段調(diào)速、無級調(diào)速和參數(shù)讀寫等。這里以S7-200系列PLC為控制核心，通過對TP270-6型觸摸屏的操作改變PLC中的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對MM440變頻器工作狀態(tài)的控制。本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要針對電機(jī)的變頻調(diào)速及變頻器網(wǎng)絡(luò)與PLC的通信問題進(jìn)行了研究。

　　1調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1系統(tǒng)設(shè)備介紹

　　整個調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備包括：上位計(jì)算機(jī)1臺（安裝有WinCCflexible和STEP7-MicroWIN軟件）、TP270觸摸屏1塊、西門子224PLC、MM440變頻器3臺及配套電機(jī)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　上位機(jī)使用編程軟件設(shè)計(jì)觸摸屏控制畫面及PLC中USS通信和控制程序，并使用RS-232串行通信的方式下載到觸摸屏，使用PC/PPI的通信方式下載到PLC中，上位機(jī)在完成編輯后將與系統(tǒng)斷開，不參與電機(jī)調(diào)速的過程。西門子觸摸屏與PLC的Port1串口相連，使用MPI串行總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；S7-200PLC的Port0串口以RS-485串行總線方式連接3臺變頻器，MM440變頻器的通信端口為29（P+）、30（N-）。

　　圖1調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.2USS通信協(xié)議

　　USS協(xié)議是由SIEMENSAG定義的串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，SIEMENS所有傳動產(chǎn)品都支持這個通用協(xié)議。它與Profibus及其它協(xié)議相比，USS協(xié)議無須購置通訊附件，是一種低成本、高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)連接方案[2]。

　　USS協(xié)議采用主一從結(jié)構(gòu)，總線上可以連接1個主站和最多31個從站，在主站沒有要求從站通信時，從站不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)，各個從站之間也不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主站一般為PLC或者PC機(jī)，從站可以是變頻器或者直流調(diào)速器.

　　在其他一些串行通訊場合，例如PC機(jī)與智能終端或嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，由于缺乏現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用戶不得不自己制定一些協(xié)議，而USS協(xié)議由于其簡單、高效、靈活和易于實(shí)現(xiàn)，也被廣泛的應(yīng)用在這些場合。

　　2 USS通信程序與TP270的畫面設(shè)計(jì)

　　2.1USS通信程序編寫

　　STEP7-MicroWIN編程軟件有實(shí)現(xiàn)USS通信協(xié)議的庫指令，需要進(jìn)行添加及分配相應(yīng)的庫存儲區(qū)，共包括14個子程序、3個中斷程序和8條指令，編寫通信程序時需要在主程序中進(jìn)行指令塊調(diào)用，如圖2所示[3]。

　　圖2USS通信指令的調(diào)用

　　如圖2左邊為初始化指令，USS_INIT中的Mode為1表示將Port0通信口用于USS協(xié)議并使能該協(xié)議；Baud為波特率的大小，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置（包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200）；Acitive指示驅(qū)動激活的編號，所有被激活的驅(qū)動都會在后臺被自動的輪詢，控制驅(qū)動的搜索狀態(tài)，防止驅(qū)動的串行鏈接超時；Done位表示輸出接通；Error的字節(jié)中存放指令的執(zhí)行結(jié)果[4]。

　　圖2右邊為變頻器驅(qū)動控制指令USS_CTRL，EN位為使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驅(qū)動接通或斷開；OFF2位用來允許MicroMaster驅(qū)動斜坡減至停止；OFF3位用來命令MicroMaster驅(qū)動快速停止；F_ACK（故障應(yīng)答）位用于應(yīng)答驅(qū)動的故障，當(dāng) F_ACK從0變1時，驅(qū)動清除該故障（Fault）；DIR（方向）位指示驅(qū)動應(yīng)向哪個方向運(yùn)動；Drive（驅(qū)動地址）是MicroMaster驅(qū)動的地址，USS_CTRL命令發(fā)送到該地址，有效地址為0到31；Type（驅(qū)動類型）選擇驅(qū)動的類型，對于4系列的MicroMaster驅(qū)動，類型為 1；Speed_SP（速度設(shè)定值）是驅(qū)動的速度，是滿速度的百分比；Speed_SP的負(fù)值使驅(qū)動反向旋轉(zhuǎn)，范圍是從-200.0%至 200.0%；Error是錯誤字節(jié)，包含最近一次向驅(qū)動發(fā)出的通訊請求的執(zhí)行結(jié)果；Status是驅(qū)動返回的狀態(tài)字的原始值；Speed是驅(qū)動速度，是滿速度的百分比，范圍是從-200.0%至200.0%；Run_EN（RUN使能）指示驅(qū)動是運(yùn)行（1）還是停止（0）；D_Dir指示驅(qū)動轉(zhuǎn)動的方向；Inhibit指示驅(qū)動上禁止位的狀態(tài)（0--未禁止，1--禁止），要清除禁止位，F(xiàn)ault（故障）位必須為零，而且RUN、OFF2和OFF3 輸入必須斷開；Fault指示故障位的狀態(tài)(0--無故障，1--有故障)，要清除Fault，必須排除故障并接通F_ACK位[4]。

　　2.2TP270畫面設(shè)計(jì)

　　在界面設(shè)計(jì)之前，要對系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，以便對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、功能和控制要求有較好的把握。完成觸摸屏的硬件連接和軟件的通信調(diào)試之后，就可以進(jìn)行控制界面的設(shè)計(jì)。

　　TP270-6型觸摸屏的界面由WinCCflexible軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶主界面1個，用于顯示控制原理圖和進(jìn)入監(jiān)控界面可管理員和用戶進(jìn)入（需要密碼），數(shù)據(jù)對象界面4個，分別是監(jiān)控界面（圖3）、無級變速界面（圖4）、參數(shù)讀界面（圖5）、參數(shù)寫界面（圖6）。

　　設(shè)計(jì)控制畫面可按以下步驟進(jìn)行[5]：

　　①打開WinCCflexible軟件，建立新的“項(xiàng)目”。

　?、谠凇绊?xiàng)目”窗口中，點(diǎn)擊“對象”選項(xiàng)，對畫面進(jìn)行編輯。返回“項(xiàng)目”窗口中，雙擊“畫面”選項(xiàng)，完成對畫面的添加。在畫面窗口中的菜單欄里選中“對象”選項(xiàng)，選擇所需的圖形或選件插入，然后對它們進(jìn)行編輯。

　?、鄯祷亍绊?xiàng)目”窗口，點(diǎn)擊“變量”選項(xiàng)，對變量進(jìn)行添加和編輯。在“項(xiàng)目”窗口中雙擊“變量”選項(xiàng)，這里需創(chuàng)建多個變量，完成對變量的添加。在 “變量”對話框中完成對變量的編輯。變量名稱、PLC、類型、范圍、采集周期和組件數(shù)目都可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置和修改。在“對象”選項(xiàng)中選中按鈕，然后在界面空白處左鍵拖拽，即生成按鈕圖標(biāo)。在“常規(guī)”選項(xiàng)卡中的文本中可更改按鈕的顯示文本內(nèi)容，在主界面的下方有關(guān)于此圖標(biāo)的操作設(shè)置，進(jìn)行相應(yīng)的修改和選擇最終達(dá)到控制要求。

　?、軐嬅媾c變量連接，然后依次點(diǎn)擊工具欄中的“編譯”和“下載”選項(xiàng)，完成項(xiàng)目的編譯和到觸摸屏的下載。

　　3 MM440變頻器的參數(shù)設(shè)置

　　西門子變頻器共有三種面板供用戶選擇，其中狀態(tài)顯示面板SDP有兩個LED指示燈，用于指示變頻器的運(yùn)行狀態(tài)；基本操作面板(BOP)用于設(shè)定各種參數(shù)的數(shù)值，數(shù)值大小和單位用5位數(shù)字顯示；高級操作面板(AOP)可讀出變頻器的參數(shù)設(shè)定值，也可將參數(shù)設(shè)定值寫入變頻器，AOP最多可存儲10組參數(shù)設(shè)定值。本文中選擇了最常用的BOP進(jìn)行變頻器的參數(shù)設(shè)置。

　　西門子MM440變頻器要實(shí)現(xiàn)USS通信，需要分三步進(jìn)行具體的參數(shù)設(shè)置，第一步設(shè)置P0010=30、P0970=1將變頻器參數(shù)還原為出廠設(shè)置，第二步修改與電機(jī)相關(guān)的各個參數(shù)，包括電機(jī)銘牌參數(shù)、斜坡上升時間和斜坡下降時間等，第三步確定通信方式和通信地址，該步的參數(shù)設(shè)置如表1所示 [6]。

　　表1MM440變頻器參數(shù)設(shè)置

　　USS主站（S7-200PLC）與USS從站（傳動裝置，即變頻器）之間的通訊是異步方式的，通訊的工作程序?yàn)楹笈_工作方式，發(fā)送接收數(shù)據(jù)與控制邏輯無關(guān)。用戶程序通過改變USS報(bào)文中的STW及HSW的值，來控制變頻器的啟停及改變設(shè)定頻率值。USS報(bào)文通過發(fā)送指令發(fā)送至傳動裝置，利用接收指令接收變頻器返回的USS報(bào)文，同一時刻只能有一個發(fā)送指令或接收指令被激活。

　　1 結(jié)語

　　能源短缺隨著時間的發(fā)展而日益嚴(yán)重，節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)務(wù)之急。電機(jī)作為工業(yè)現(xiàn)場最為常見的用電設(shè)備，其節(jié)能措施，即變頻調(diào)速技術(shù)，受到技術(shù)專家的廣泛關(guān)注。本文中使用市場上流行的西門子MM440變頻器，實(shí)現(xiàn)了單主站和多從站的USS通信，簡化了系統(tǒng)布線，提高了電機(jī)的工作性能，節(jié)省了電力并增加了可靠性，為冶金、制造、紡織等各個不同的工業(yè)現(xiàn)場提供了較好的控制方案。