摘要：為了降低工業現場的電機能耗，以S7-200PLC為控制主站，采用USS串行通信的方式，設計實現了PLC控制多個變頻器的系統。該系統的通信控制程序編寫與MM440變頻器設置容易實現，底層設備布線簡單，容易被技術人員接受。實驗運行結果表明，整個系統可以完成分段調速、無級調速等控制要求，運行穩定可靠，有很強的實用性和較高的性價比。

　　關鍵詞：USS通信，MM440變頻器，S7-200PLC，觸摸屏

　　0 引言

　　隨著電力電子技術和自動控制技術的日益發展，電動機的調速已不再是單一調速系統的概念。發展到今天的變頻器調速控制，在工業各個領域中得到了極為廣泛的應用，在現代的工業自動化控制系統中，如在紡織、輕工業、建材等領域，一種常見調速系統的是由PLC控制變頻器實現多臺電動機的調速控制，這種調速系統可以在PLC與變頻器網絡通信的基礎上實現多臺電機的變頻調速[1]。

　　控制系統可以把觸摸屏、PLC和變頻器用總線連接起來，通過下載到觸摸屏中的項目組件和PLC中的程序實現電機的變頻控制，包括啟停、正反轉、多段調速、無級調速和參數讀寫等。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，實現對MM440變頻器工作狀態的控制。本文設計的變頻調速系統，主要針對電機的變頻調速及變頻器網絡與PLC的通信問題進行了研究。

　　1調速系統構成

　　1.1系統設備介紹

　　整個調速系統的設備包括：上位計算機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，整個系統的結構如圖1所示。

　　上位機使用編程軟件設計觸摸屏控制畫面及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，上位機在完成編輯后將與系統斷開，不參與電機調速的過程。西門子觸摸屏與PLC的Port1串口相連，使用MPI串行總線方式進行數據交換；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調速系統構成

　　1.2USS通信協議

　　USS協議是由SIEMENSAG定義的串行數據通訊協議，SIEMENS所有傳動產品都支持這個通用協議。它與Profibus及其它協議相比，USS協議無須購置通訊附件，是一種低成本、高性能的工業網絡組態連接方案[2]。

　　USS協議采用主一從結構，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，從站不能首先發送數據，各個從站之間也不能直接進行數據傳輸。主站一般為PLC或者PC機，從站可以是變頻器或者直流調速器.

　　在其他一些串行通訊場合，例如PC機與智能終端或嵌入式系統網絡之間的通信，由于缺乏現成的標準協議，用戶不得不自己制定一些協議，而USS協議由于其簡單、高效、靈活和易于實現，也被廣泛的應用在這些場合。

　　2 USS通信程序與TP270的畫面設計

　　2.1USS通信程序編寫

　　STEP7-MicroWIN編程軟件有實現USS通信協議的庫指令，需要進行添加及分配相應的庫存儲區，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行指令塊調用，如圖2所示[3]。

　　圖2USS通信指令的調用

　　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協議并使能該協議；Baud為波特率的大小，可根據需要進行設置（包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200）；Acitive指示驅動激活的編號，所有被激活的驅動都會在后臺被自動的輪詢，控制驅動的搜索狀態，防止驅動的串行鏈接超時；Done位表示輸出接通；Error的字節中存放指令的執行結果[4]。

　　圖2右邊為變頻器驅動控制指令USS_CTRL，EN位為使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驅動接通或斷開；OFF2位用來允許MicroMaster驅動斜坡減至停止；OFF3位用來命令MicroMaster驅動快速停止；F_ACK（故障應答）位用于應答驅動的故障，當 F_ACK從0變1時，驅動清除該故障（Fault）；DIR（方向）位指示驅動應向哪個方向運動；Drive（驅動地址）是MicroMaster驅動的地址，USS_CTRL命令發送到該地址，有效地址為0到31；Type（驅動類型）選擇驅動的類型，對于4系列的MicroMaster驅動，類型為 1；Speed_SP（速度設定值）是驅動的速度，是滿速度的百分比；Speed_SP的負值使驅動反向旋轉，范圍是從-200.0%至 200.0%；Error是錯誤字節，包含最近一次向驅動發出的通訊請求的執行結果；Status是驅動返回的狀態字的原始值；Speed是驅動速度，是滿速度的百分比，范圍是從-200.0%至200.0%；Run_EN（RUN使能）指示驅動是運行（1）還是停止（0）；D_Dir指示驅動轉動的方向；Inhibit指示驅動上禁止位的狀態（0--未禁止，1--禁止），要清除禁止位，Fault（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(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畫面設計

　　在界面設計之前，要對系統進行整體分析，以便對設計的結構、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試之后，就可以進行控制界面的設計。

　　TP270-6型觸摸屏的界面由WinCCflexible軟件進行設計，用戶主界面1個，用于顯示控制原理圖和進入監控界面可管理員和用戶進入（需要密碼），數據對象界面4個，分別是監控界面（圖3）、無級變速界面（圖4）、參數讀界面（圖5）、參數寫界面（圖6）。

　　設計控制畫面可按以下步驟進行[5]：

　　①打開WinCCflexible軟件，建立新的“項目”。

　　②在“項目”窗口中，點擊“對象”選項，對畫面進行編輯。返回“項目”窗口中，雙擊“畫面”選項，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，選擇所需的圖形或選件插入，然后對它們進行編輯。

　　③返回“項目”窗口，點擊“變量”選項，對變量進行添加和編輯。在“項目”窗口中雙擊“變量”選項，這里需創建多個變量，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、采集周期和組件數目都可根據實際需要進行設置和修改。在“對象”選項中選中按鈕，然后在界面空白處左鍵拖拽，即生成按鈕圖標。在“常規”選項卡中的文本中可更改按鈕的顯示文本內容，在主界面的下方有關于此圖標的操作設置，進行相應的修改和選擇最終達到控制要求。

　　④將畫面與變量連接，然后依次點擊工具欄中的“編譯”和“下載”選項，完成項目的編譯和到觸摸屏的下載。

　　3 MM440變頻器的參數設置

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

　　西門子MM440變頻器要實現USS通信，需要分三步進行具體的參數設置，第一步設置P0010=30、P0970=1將變頻器參數還原為出廠設置，第二步修改與電機相關的各個參數，包括電機銘牌參數、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，該步的參數設置如表1所示 [6]。

　　表1MM440變頻器參數設置

　　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，通訊的工作程序為后臺工作方式，發送接收數據與控制邏輯無關。用戶程序通過改變USS報文中的STW及HSW的值，來控制變頻器的啟停及改變設定頻率值。USS報文通過發送指令發送至傳動裝置，利用接收指令接收變頻器返回的USS報文，同一時刻只能有一個發送指令或接收指令被激活。

　　1 結語

　　能源短缺隨著時間的發展而日益嚴重，節能減排和環境保護成為當務之急。電機作為工業現場最為常見的用電設備，其節能措施，即變頻調速技術，受到技術專家的廣泛關注。本文中使用市場上流行的西門子MM440變頻器，實現了單主站和多從站的USS通信，簡化了系統布線，提高了電機的工作性能，節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現場提供了較好的控制方案。