基于USS现场总线的S7-1200和G120通信实现异步电动机变频调速监控网络的研究

2021-05-12马彬彬

泰州职业技术学院学报 2021年1期

马彬彬，赵安

（泰州职业技术学院，江苏泰州 225300）

USS 协议（Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口协议）是西门子公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS 协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多30 个从站。通过此协议，西门子控制器和各传动产品之间可以主-从的方式进行数据传输[1]。本文研究S7-1200 和多个G120 之间的USS 通信，实现若干台异步电动机的运行实时监控。

1 监控网络硬件构成

监控网络硬件主要包括：西门子HMI 精简面板（或精智面板、移动面板）、西门子S7-1200系列可编程控制器CPU1214C（或其它S7-1200系列CPU）、S7-1200系列通信板CB1241（或通信模块CM1241）、西门子G120系列变频器、三相交流异步电动机等。变频器数量和电动机数量相同。通信板CB1241卡入S7-1200的CPU 槽中，并和若干台G120间用RS485线缆连接组成USS 通信网络[2]。S7-1200CPU 和HMI 间通过Ethernet 网线连接。监控网络硬件接线示意图如图1所示。

图1 硬件接线示意图

2 G120变频器通信接线及参数设置

S7-1200 串口通信解决方案可以选CM1241 通信模块或者CB1241 通信板。CM1241 通常和CPU一起安装在导轨上，并提供9 针串口。而CB1241通信板直接安装在CPU板槽中。受限于空间体积，CB1241没有提供9针串口，而是提供的接线端子。CB1241 接线端子和G120 的RS485 插头接线如图2所示。CB1241内部有终端电阻，可以通过接线实现终端电阻的ON和OFF状态。当需要终端电阻接入时，把T/RA短接到TA；把T/RB短接到TB即可。

G120变频器在设置参数之前，需要根据G120操作手册的要求先选用与G120配套的电机，并将电机铭牌上相关参数输入G120完成基本调试。然后根据变频器控制方式选择对应的宏指令编号，并进行USS 通信方式的参数设置和修改。参数设置值如表1所示。

图2 S7-1200的CB1241和G120的RS485通信插头接线[3]

表1 USS现场总线某一个变频器参数设置[4]

3 PLC控制程序设计

3.1 初始化USS通信

可以在“Cyclic interrupt[OB30]”中初始化USS 通信，如图3 所示。“USS_Port_Scan”指令选择USS 通信方式，通过USS 网络可为最多16 个变频器从站处理通信。PORT 端口选择“Local～CB_1241_(RS485)”，波特率可选9600。

图3 在循环中断中初始化USS通信[5]

3.2 变频调速程序块的编写

变频调速FC块主要用来进行频率与速度百分比的换算，为“Main[OB1]”（主程序块）实现电动机的控制以及HMI 上电机的状态显示做准备。主程序块中“USS_Drive_Control”指令的端口要用到此程序块的转速百分比，HMI 上也需要此程序块来显示电机运行实时频率。变频调速[FC1]程序块如图4所示。

图4 变频调速[FC1]程序块[6]

3.3 变频器控制主程序块的编写

主程序块包括三部分：（1）启停控制程序；（2）CB1241主站与G120从站进行USS通信；（3）调用FC程序块。

启停控制既可用物理按钮，也可在HMI 上点按。启动时电机速度不为0，可通过转速百分比预设一个较低的速度。电机停车有“OFF1、OFF2、OFF3”三种。其中“OFF1”表示在指定的斜坡函数设定的时间内停车，通过停止按钮或HMI 停止实现。启动控制程序如图5所示。

图5 电动机启停控制程序[6]

USS通信程序可通过“USS_Drive_Control”指令实现。系统启动后，自动执行“USS_Drive_Control”指令。输入端口中，“OFF2”和“OFF3”分别表示自由停车和急停；“F_ACK”为故障确认端口；“DIR”为方向开关；“DRIVE”为所连变频器地址；“PZD_LEN”为现场总线通讯报文的过程数据区的长度；“SPEED_SP”为速度百分比设定。输出端口为变频器实时状态信息。主-从站的USS通信程序如图6所示。CB1241主站和任一G120从站通信都需要一个单独的USS 通信程序。需要注意的是，所有USS 通信程序的“DRIVE”的地址值均不可相同，且在1～31范围内。

图7 为调用FC 块的程序。将变频器速度与频率值进行换算后，在HMI上显示。

图6 CB1241主站和某个G120从站的通讯程序[5]

图7 变频调速FC程序块[6]

4 HMI组态画面设计

西门子精简面板是与S7-1200 配套的SIMATIC HMI，可在博途中组态的HMI 还有精智面板和移动面板，功能更加完善。精简系列面板已经可以满足用户对高品质可视化和便捷操作的需求[7]。用户在HMI 集中实现多台电机的远程控制，并准确获取各个电机的运行状态等信息。某台电机的监控组态信息如图8所示，其它电机与此类似。