MM440变频器在USS通信下的控制研究

0 引言

　　随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已不再是单一调速系统的概念。发展到今天的变频器调速控制，在工业各个领域中得到了极为广泛的应用，在现代的工业自动化控制系统中，如在纺织、轻工业、建材等领域，一种常见调速系统的是由PLC控制变频器实现多台电动机的调速控制，这种调速系统可以在PLC与变频器网络通信的基础上实现多台电机的变频调速[1]。

　　控制系统可以把触摸屏、PLC和变频器用总线连接起来，通过下载到触摸屏中的项目组件和PLC中的程序实现电机的变频控制，包括启停、正反转、多段调速、无级调速和参数读写等。这里以S7-200系列PLC为控制核心，通过对TP270-6型触摸屏的操作改变PLC中的参数，实现对MM440变频器工作状态的控制。本文设计的变频调速系统，主要针对电机的变频调速及变频器网络与PLC的通信问题进行了研究。

　　1调速系统构成

　　1.1系统设备介绍

　　整个调速系统的设备包括：上位计算机1台（安装有WinCCflexible和STEP7-MicroWIN软件）、TP270触摸屏1块、西门子224PLC、MM440变频器3台及配套电机，整个系统的结构如图1所示。

　　上位机使用编程软件设计触摸屏控制画面及PLC中USS通信和控制程序，并使用RS-232串行通信的方式下载到触摸屏，使用PC/PPI的通信方式下载到PLC中，上位机在完成编辑后将与系统断开，不参与电机调速的过程。西门子触摸屏与PLC的Port1串口相连，使用MPI串行总线方式进行数据交换；S7-200PLC的Port0串口以RS-485串行总线方式连接3台变频器，MM440变频器的通信端口为29（P+）、30（N-）。



　　图1调速系统构成

　　1.2USS通信协议

　　USS协议是由SIEMENSAG定义的串行数据通讯协议，SIEMENS所有传动产品都支持这个通用协议。它与Profibus及其它协议相比，USS协议无须购置通讯附件，是一种低成本、高性能的工业网络组态连接方案[2]。

　　USS协议采用主一从结构，总线上可以连接1个主站和最多31个从站，在主站没有要求从站通信时，从站不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行数据传输。主站一般为PLC或者PC机，从站可以是变频器或者直流调速器.

　　在其他一些串行通讯场合，例如PC机与智能终端或嵌入式系统网络之间的通信，由于缺乏现成的标准协议，用户不得不自己制定一些协议，而USS协议由于其简单、高效、灵活和易于实现，也被广泛的应用在这些场合。

　　2 USS通信程序与TP270的画面设计

　　2.1USS通信程序编写

　　STEP7-MicroWIN编程软件有实现USS通信协议的库指令，需要进行添加及分配相应的库存储区，共包括14个子程序、3个中断程序和8条指令，编写通信程序时需要在主程序中进行指令块调用，如图2所示[3]。



　　图2USS通信指令的调用

　　如图2左边为初始化指令，USS_INIT中的Mode为1表示将Port0通信口用于USS协议并使能该协议；Baud为波特率的大小，可根据需要进行设置（包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200）；Acitive指示驱动激活的编号，所有被激活的驱动都会在后台被自动的轮询，控制驱动的搜索状态，防止驱动的串行链接超时；Done位表示输出接通；Error的字节中存放指令的执行结果[4]。

　　图2右边为变频器驱动控制指令USS_CTRL，EN位为使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驱动接通或断开；OFF2位用来允许MicroMaster驱动斜坡减至停止；OFF3位用来命令MicroMaster驱动快速停止；F_ACK（故障应答）位用于应答驱动的故障，当F_ACK从0变1时，驱动清除该故障（Fault）；DIR（方向）位指示驱动应向哪个方向运动；Drive（驱动地址）是MicroMaster驱动的地址，USS_CTRL命令发送到该地址，有效地址为0到31；Type（驱动类型）选择驱动的类型，对于4系列的MicroMaster驱动，类型为1；Speed_SP（速度设定值）是驱动的速度，是满速度的百分比；Speed_SP的负值使驱动反向旋转，范围是从-200.0%至200.0%；Error是错误字节，包含最近一次向驱动发出的通讯请求的执行结果；Status是驱动返回的状态字的原始值；Speed是驱动速度，是满速度的百分比，范围是从-200.0%至200.0%；Run_EN（RUN使能）指示驱动是运行（1）还是停止（0）；D_Dir指示驱动转动的方向；Inhibit指示驱动上禁止位的状态（0--未禁止，1--禁止），要清除禁止位，Fault（故障）位必须为零，而且RUN、OFF2和OFF3输入必须断开；Fault指示故障位的状态(0--无故障，1--有故障)，要清除Fault，必须排除故障并接通F_ACK位[4]。

　　2.2TP270画面设计

　　在界面设计之前，要对系统进行整体分析，以便对设计的结构、功能和控制要求有较好的把握。完成触摸屏的硬件连接和软件的通信调试之后，就可以进行控制界面的设计。

　　TP270-6型触摸屏的界面由WinCCflexible软件进行设计，用户主界面1个，用于显示控制原理图和进入监控界面可管理员和用户进入（需要密码），数据对象界面4个，分别是监控界面（图3）、无级变速界面（图4）、参数读界面（图5）、参数写界面（图6）。



　　设计控制画面可按以下步骤进行[5]：

　　①打开WinCCflexible软件，建立新的“项目”。

　　②在“项目”窗口中，点击“对象”选项，对画面进行编辑。返回“项目”窗口中，双击“画面”选项，完成对画面的添加。在画面窗口中的菜单栏里选中“对象”选项，选择所需的图形或选件插入，然后对它们进行编辑。

　　③返回“项目”窗口，点击“变量”选项，对变量进行添加和编辑。在“项目”窗口中双击“变量”选项，这里需创建多个变量，完成对变量的添加。在“变量”对话框中完成对变量的编辑。变量名称、PLC、类型、范围、采集周期和组件数目都可根据实际需要进行设置和修改。在“对象”选项中选中按钮，然后在界面空白处左键拖拽，即生成按钮图标。在“常规”选项卡中的文本中可更改按钮的显示文本内容，在主界面的下方有关于此图标的操作设置，进行相应的修改和选择最终达到控制要求。

　　④将画面与变量连接，然后依次点击工具栏中的“编译”和“下载”选项，完成项目的编译和到触摸屏的下载。

　　3 MM440变频器的参数设置

　　西门子变频器共有三种面板供用户选择，其中状态显示面板SDP有两个LED指示灯，用于指示变频器的运行状态；基本操作面板(BOP)用于设定各种参数的数值，数值大小和单位用5位数字显示；高级操作面板(AOP)可读出变频器的参数设定值，也可将参数设定值写入变频器，AOP最多可存储10组参数设定值。本文中选择了最常用的BOP进行变频器的参数设置。

　　西门子MM440变频器要实现USS通信，需要分三步进行具体的参数设置，第一步设置P0010=30、P0970=1将变频器参数还原为出厂设置，第二步修改与电机相关的各个参数，包括电机铭牌参数、斜坡上升时间和斜坡下降时间等，第三步确定通信方式和通信地址，该步的参数设置如表1所示[6]。

　　表1MM440变频器参数设置



　　USS主站（S7-200PLC）与USS从站（传动装置，即变频器）之间的通讯是异步方式的，通讯的工作程序为后台工作方式，发送接收数据与控制逻辑无关。用户程序通过改变USS报文中的STW及HSW的值，来控制变频器的启停及改变设定频率值。USS报文通过发送指令发送至传动装置，利用接收指令接收变频器返回的USS报文，同一时刻只能有一个发送指令或接收指令被激活。

　　1 结语

　　能源短缺随着时间的发展而日益严重，节能减排和环境保护成为当务之急。电机作为工业现场最为常见的用电设备，其节能措施，即变频调速技术，受到技术专家的广泛关注。本文中使用市场上流行的西门子MM440变频器，实现了单主站和多从站的USS通信，简化了系统布线，提高了电机的工作性能，节省了电力并增加了可靠性，为冶金、制造、纺织等各个不同的工业现场提供了较好的控制方案。