6SE6440-2UD35-5FA1

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西门子S7-1200 PLC在当前的市场中有着广泛的应用，作为常与变频器共同使用的PLC，其与西门子MM440 变频器的USS通信一直在市场上有着非常广泛的应用。本文将主要介绍如何使用USS通信协议来实现S7-1200与MM440变频器的通信。


1. USS通信介绍

1.1. USS协议特点
USS (Universal Serial Interface, 即通用串行通信接口) 是西门子专为驱动装置开发的通信协议。USS 协议的基本特点如下：

? 支持多点通信（因而可以应用在 RS 485 等网络上）
? 采用单主站的“主－从”访问机制
? 每个网络上较多可以有 32 个节点（较多 31 个从站）
? 简单可靠的报文格式，使数据传输灵活高效
? 容易实现，成本较低

USS 的工作机制是，通信总是由主站发起，USS 主站不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否以及如何响应。从站永远不会主动发送数据。从站在以下条件满足时应答：
-- 接收到的主站报文没有错误，并且
-- 本从站在接收到主站报文中被寻址
上述条件不满足，或者主站发出的是广播报文，从站不会做任何响应。对于主站来说，从站必须在接收到主站报文之后的一定时间内发回响应。否则主站将视为出错。
USS 的字符传输格式符合 UART 规范，即使用串行异步传输方式。USS 在串行数据总线上的字符传输帧为 11 位长度，如表1所示：


表1：USS字符帧

USS 协议的报文简洁可靠，高效灵活。报文由一连串的字符组成，协议中定义了它们的特
定功能，表2所示：


表2：USS报文结构

每小格代表一个字符（字节）。其中：
STX： 起始字符，总是 02 h
LGE： 报文长度
ADR：从站地址及报文类型
BCC： BCC 校验符
净数据区由 PKW 区和 PZD 区组成，如表3所示：


表3：USS净数据区

PKW： 此区域用于读写参数值、参数定义或参数描述文本，并可修改和报告参数的改变 。其中：

PKE： 参数 ID。包括代表主站指令和从站响应的信息，以及参数号等 
IND： 参数索引，主要用于与 PKE 配合定位参数 
PWEm：参数值数据 
PZD： 此区域用于在主站和从站之间传递控制和过程数据。控制参数按设定好的固定格式在主、从站之间对应往返。如：

PZD1：主站发给从站的控制字/从站返回主站的状态字 
PZD2： 主站发给从站的给定/从站返回主站的实际反馈 
根据传输的数据类型和驱动装置的不同，PKW 和 PZD 区的数据长度都不是固定的，它们可以灵活改变以适应具体的需要。但是，在用于与控制器通信的自动控制任务时，网络上的所有节点都要按相同的设定工作，并且在整个工作过程中不能随意改变。
注意：
对于不同的驱动装置和工作模式，PKW 和 PZD 的长度可以按一定规律定义。 一旦确定就不能在运行中随意改变 ；
PKW 可以访问所有对 USS 通信开放的参数；而 PZD 仅能访问特定的控制和过程数据；
PKW 在许多驱动装置中是作为后台任务处理，因此 PZD 的实时性要比 PKW 好。

1.2. S7-1200 USS通信简介

CM 1241 RS485 模块通过 RS485 端口与MM440进行通信。 可使用 USS 库控制MM440和读/写MM440参数。该库提供 1 个 FB 和 3 个 FC 来支持 USS 协议。 每个 CM1241 RS485 通信模块较多支持 16 个MM440。连接到一个 CM 1241 RS485 的所有MM440（较多 16 个）是同一 USS 网络的一部分。连接到另一 CM 1241 RS485 的所有MM440是另一 USS 网络的一部分。 因为 S7-1200较多支持三个 CM 1241 RS485 设备，所以用户较多可建立三个 USS 网络，每个网络较多 16 个MM440，总共支持 48 个 USS MM440。各 USS 网络使用各自一的数据块进行管理（使用三个 CM 1241 RS485 设备建立三个 USS网络需要三个数据块）。 同一USS 网络相关的所有指令必须共享该数据块。 这包括用于控制网络上所有MM440的 USS_DRV、USS_PORT、USS_RPM 和USS_WPM 指令。


2. 硬件需求及接线

2.1. 硬件需求
S7-1200 PLC目前有3种类型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
这三种类型的CPU都可以使用USS通信协议通过通信模块CM1241 RS485来实现S7-1200与MM440变频器的通信。
本例中使用的PLC硬件为：
1） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0B0 )
2) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0B0 )
3) CSM 1277 ( 6GK7 277 -1AA00 - 0AA0)
本例中使用的MM440变频器硬件为：
1） MM440 （ 6SE6440 - 2AB11 - 2AA1 ）
2） MICROMASTER 4 ENCODER MODULE （ 6SE6400 - 0EN00 - 0AA0 ）
3） SIEMENS MOTOR （ 1LA7060 - 4AB10 - Z ）
4） USS 通信电缆 ( 6XV1830 - 0EH10 )

2.2. 接线
建议使用西门子的网络插头和PROFIBUS电缆。在 S7-1200 CPU 通信口上使用西门子网络插头。
PROFIBUS 电缆的红色导线B 即 RS 485 信号 +，此信号应当连接到 MM 440 通信端口的 P+；绿色导线A 即 RS 485 信号 -，此信号应当连接到 MM 440 通信端口的 N-。

 
图1： MM440接线端子                                       表4：MM440端子定义

因为MM 440 通信口是端子连接，所以 PROFIBUS 电缆不需要网络插头，而是剥出线头直接压在端子上。如果还要连接下一个驱动装置，则两条电缆的同色芯线可以压在同一个端子内。PROFIBUS 电缆的红色芯线应当压入端子 29；绿色芯线应当连接到端子 30，如图1、表4所示。完整接线图如图2所示。


图2： S7-1200与MM440接线图

a. 屏蔽/保护接地母排，或可靠的多点接地。此连接对抑制干扰有重要意义。
b. PROFIBUS 网络插头，内置偏置和终端电阻。
c. MM 440 端的偏置和终端电阻。
d. 通信口的等电位连接。可以保护通信口不致因共模电压差损坏或通信中断。
e. 双绞屏蔽电缆（PROFIBUS）电缆，因是高速通信，电缆的屏蔽层须双端接地（接 PE）。
注意，以下几点对网络的性能有较为重要的影响。几乎所有网络通信质量方面的问题都与未考虑到下列事项有关：

? 偏置电阻用于在复杂的环境下确保通信线上的电平在总线未被驱动时保持稳定；终端电阻用于吸收网络上的反射信号。一个完善的总线型网络必须在两端接偏置和终端电阻。
? 通信口 M 的等电位连接建议单独采用较粗的导线 ，而不要使用 PROFIBUS 的屏蔽层，因为此连接上可能有较大的电流，以致通信中断。
? PROFIBUS 电缆的屏蔽层要尽量大面积接 PE。一个实用的做法是在靠近插头、接线端子处环剥外皮，用压箍将裸露的屏蔽层压紧在 PE 接地体上（如 PE 母排或良好接地的裸露金属安装板）。
? 通信线与动力线分开布线；紧贴金属板安装也能改善抗干扰能力。驱动装置的输入/输出端要尽量采用滤波装置，并使用屏蔽电缆。
? 在 MM 440 的包装内提供了终端偏置电阻元件，接线时可按说明书直接压在端子上。如果可能，可采用热缩管将此元件包裹，并适当固定。


3. 组态
我们通过下述的实际操作来介绍如何在Step7 Basic V10.5 中组态S7-1214C 和MM440变频器的USS通信。

3.1. PLC 硬件组态

首先在Step7 Basic V10.5中建立一个项目，如图3所示。


图3： 新建S7 1200项目

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


图4： S7 1200硬件配置

在CPU的属性中，设置以太网的IP地址，建立PG与PLC的连接，如图5所示。


图5： S7 1200 IP地址的设置

3.2. MM440参数设置

我们假定已经完成了驱动装置的基本参数设置和调试（如电机参数辨识等等），以下只涉及与 S7-1200 控制器连接相关的参数。
MM 440 的参数分为几个访问级别，以便于过滤不需要查看的部分。 与 S7-1200 连接时，需要设置的主要有“控制源”和“设定源”两组参数。要设置此类参数，需要“*”参数访问级别，即首先需要把 P0003 参数设置为 3。
控制源参数设置：
控制命令控制驱动装置的启动、停止、正/反转等功能。控制源参数设置决定了驱动装置从何种途径接受控制信号，如表5所示。


表5：控制源由参数 P0700 设置

此参数有分组，在此仅设**组，即 P0700[0]。
设定源控制参数：
设定值控制驱动装置的转速/频率等功能。设定源参数决定了驱动装置从哪里接受设定值（即给定），如表6所示。


表6：设定源由参数 P1000 设置

此参数有分组，在此仅设**组，即 P1000[0]。
控制源和设定源之间可以自由组合，根据工艺要求可以灵活选用。我们以控制源和设定源都来自 COM link 上的 USS 通信为例，简介 USS 通信的参数设置。

主要参数有：
1. P0700： 设置 P0700[0] = 5，即控制源来自 COM link 上的 USS 通信；
2. P1000： 设置 P1000[0] = 5，即设定源来自 COM link 上的 USS 通信；
3. P2009： 决定是否对 COM link 上的 USS 通信设定值规格化，即设定值将是运转频率的百分比形式，还是**频率值。为0，不规格化 USS 通信设定值，即设定为MM440中的频率设定范围的百分比形式；为1，对 USS 通信设定值进行规格化，即设定值为**的频率数值；
4. P2010： 设置 COM link 上的 USS 通信速率。根据 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： 设置 P2011[0] = 0 至 31，即驱动装置 COM link 上的 USS 通信口在网络上的从站地址；
6. P2012： 设置 P2012[0] = 2，即 USS PZD 区长度为 2 个字长；
7. P2013： 设置 P2013[0] = 4；
8. P2014： 设置 P2014[0] = 0 至 65535，即 COM link 上的 USS 通信控制信号中断**时时间，单位为 ms；如设置为 0，则不进行此端口上的**时检查；
9. P0971： 设置 P0971 = 1，上述参数将保存入MM 440 的 EEPROM 中。