MM440變頻器在USS通信下的控制研究
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。

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