6ES7216-2AD23-0XB8詳細說明

1 引言
　　　計算機及通訊技術已成為工業環境中大部分解決方案的核心部分，其在系統中的比重正在迅速增加。在一個自動化系統中，交、直流調速器不僅僅作為一個單獨的執行機構，而是隨著其不斷的智能化，它們相互之間及同控制系統之間可以通過各種通訊方式結合成一個有機的整體。西門子變頻器USS自由口通信以其通信質量高、成本低廉在自動化系統得到了廣泛的應用。本文以USS自由口通信在石油鉆機電氣傳動系統中的實際應用為例，對自由口使用的地址分配，通信程序實現進行了較詳細的分析，該思路不僅用于PLC來保證通信質量，對于用高級語言在PC實現的通信程序編制、提高通信的可靠性都具有一定的借鑒意義。

2 USS通信
2.1 USS概況
　　　西門子交、直流調速器采用的USS通訊協議是西門子公司為傳動系統開發的通訊協議，可支持交直流驅動器同PC或PLC之間建立通訊聯接，適用于規模較小的自動化系統。有以下特點:
(1) 用單一的、集成的系統來解決自動化問題。所有的西門子交、直流驅動器都可采用USS協議作為通信鏈路，原先的驅動器間是孤立的，僅有極少量通過硬件電路反饋信號。
(2) 數字化的信息傳遞，提高了系統的自動化水平及運行的可靠性，解決了模擬信號傳輸所引起的干擾及漂移問題。
(3) 其通信介質采用RS-485屏蔽雙絞線，最遠可達1000m，因此可有效地減少控制電纜的數量，原系統中需要20芯控制電纜一般在4根以上，現在只需工作電源就可以，從而可以大大減少開發和工程費用，提高可靠性。
(4) 通訊速率較高，可達187.5kbps。對于有5個變頻器，每個調速器有六個過程數據需刷新的系統，PLC的典型掃描周期為幾百毫秒。
(5) 它采用與PROFIBUS相似的操作模式，總線結構為單主站、主從存取方式。報文結構具有參數數據與過程數據，前者用于改變調速器的參數，后者用于快速刷新調速器的過程數據，如啟動停止、邏輯鎖定、速度給定、力矩給定等。具有的快速性與可靠性。
2.2 西門子USS通信協議 [1]
(1) 協議概況
●Siemens驅動器所定義的USS協議，是Profibus通信協議的簡化，通過其總線可以連接31個節點，傳輸速率可以達到19.2k比特率，通過主站(PC、PLC)進行控制。
●USS總線上的每個傳動裝置都有一個站號，主站通過它識別每個傳動裝置。
●USS可以是主從結構:從站回應主站發來的報文并發送報文。也可以是廣播通訊方式:報文同時發送給所有的傳動裝置。
(2) 協議說明
所有數據報文都由14個字節組成，是標準的異步報文格式:1個起始位，8個數據位，一個偶校驗位和一個停止位。數據報文的結構如下:
主站到從站的報文格式:

從站到主站的報文格式:

(3) USS協議報文描述
●STX STX是單字節的ASCⅡ STX字符(值為02),表示報文的開始。
●LGE LAE是單字節區域，表示報文中LAE區域后的字節數。
●ADR ADR是單字節區域，包含從站傳動裝置的地址::

　　　其中位5是廣播位。選擇是否將這報文以廣播方式發送給總線上的所有驅動器，位0~4是驅動器總線地址。
●BCC BCC是單字節區域，對報文中該區域以前所有的字節進行異或校驗。
●IND IND是16位的區域，通用傳動裝置應設為0。
●PKE PKE是16位的區域，用來控制傳動裝置的參數讀寫，定義如下:位0~10為參數號，位12~15為參數讀寫控制，如2038H，2代表讀參數，38H表示十進制ID為56的參數。
●VAL VAL是16位的區域，通過讀寫參數命令將參數值寫到對應的參數ID中。
STW是16位的控制字區域，控制傳動裝置的運行，如047F表控制電機正向運行。
ZSW是16位的狀態字區域，表示傳動裝置不同的運行狀態。
●HSW/HIW HSW是設定電機速度的16位的區域。如4000H對應額定速度的100%
HIW是讀取電機速度的16位區域，可以讀出電機速度。如當前轉速=(HIW×額定速度)/4000H。

3 自由口設定
3.1 鉆機傳動系統設備配置
　　　多年來，我國鉆機市場一直以機械鉆機為主，通過柴油發電機帶動變速齒輪箱來調節絞車和泥漿泵的轉速，效率低下，耗能高，故障率高。隨著國際鉆機市場電驅動鉆機的推廣與普及，我國的鉆機經歷了購買二手舊鉆機，進口新鉆機到自主生產的過程，在此基礎上，鉆機也進行了一次大的更新，從模擬電路控制直流傳動到數字化的直流傳動設備，再到到高性能的具有通信功能的傳動設備;在鉆機實現自動化過程也經歷了由繼電器到開關量PLC再到高性能PLC(模擬量+總線通訊)的過程，現階段鉆機設備配置以高性能PLC控制為主，通過通訊功能讀取數據和并根據工況改寫驅動器的相關數據，這樣*的控制理論(模糊控制、神經網絡控制等)就很容易的通過上位機實現，從而控制交直流驅動器實現調速的智能化。該系統通過S7-200 CPU226作為主站，五臺6SE71系列變頻器作為從站，其中650kW的變頻器帶動絞車/鉆機，500kW的變頻器兩兩同步工作，帶動1300系列的泥漿泵，參見圖1。

圖1 USS通訊系統配置

3.2 自由口用戶數據存儲器[3]

在USS協議中，用戶數據存儲器分配如附表:

附表

驅動器參數設定區 VB0-VB39共40個字節
發送/接受緩沖區 從VB40開始，用戶自由分配
系統數據區 VB4022-VB4095共74個字節
　　　其中驅動器參數設定區主要完成從站數目(VB0)、每個從站LAE長度設定(VB1-VB31)、廣播傳送方式LAE(VB33)長度、傳送時間(VW34)，初始化發送/接受緩沖區首地址(VD36)(設定值為VB40-VB4021)，其中V表示可變、B為字節、W為字、D為雙字。
3.3 用戶數據區設定
　　　在USS協議中每個從站需要44個字節，發送/接受緩沖區各占22個字節(對應從站+USS協議(發送+接受)+狀態位)，其中狀態位表示數據發送狀態，在該系統中發送/接收首地址設為VB2000，用戶數據區以循環方式傳送數據時分配如下:
絞車:從站1，地址 VB2000-2043
泥漿泵1的A變頻器:從站2，地址 VB2044-2087
泥漿泵1的B變頻器:從站3，地址 VB2088-2131
泥漿泵2的A變頻器:從站4，地址 VB2132-2175
泥漿泵1的B變頻器:從站5，地址 VB2176-2219
以廣播方式發送數據時地址如下:
只有發送緩沖區:VB2220-2263，接受緩沖區同上
　　　定義完數據區后，就可以根據每個地址的功能，在PLC編程時寫入相應的控制字就可以完成控制功能。
3.4 通信功能設定
　　　CPU處于STOP模式時，自由端口模式為禁止，建立與其它協議的通訊，只有當CPU處于RUN模式時，才能使用自由口模式，這時通過自由口控制字SMB30來完成設置，如:MOVB16#49，SMB30就將自由口0設為自由端口協議，波特率9600kbps，數據位為8，偶校驗。

4 程序編制[2][3]
　　　系統功能由主程序OB1和三個子程序SBR0、SBR1和SBR2組成。圖2列出主要程序段的工作流程。

圖2 主要程序段的工作流程圖

(1) OB1:完成循環調用子程序功能
(2) SBR0:系統初始化
(3) SBR1:通訊中斷/事件調用(中斷0~中斷7，根據通信協議完成數據的傳送和接收功能)
(4) SBR2:按照前面的分配地址和要實現的功能編寫功能程序，實現要求的輸入輸出信號間的邏輯功能、數字濾波、PI調節，以及變頻器參數的讀寫，控制字和速度給定的發送，變頻器工作狀態的讀取等功能。
(5) 中斷0:完成發送/廣播的初始化，監視發送過程、監視發送延時、發送錯誤
(6) 中斷2:發送完成
(7) 中斷3~6:接收到基本接收緩沖區后，進行校驗，校驗數后翼數據塊的方式將數據發到當前站的數據接收緩沖區。
(8) 中斷7:接受任何一個字符超過時間，執行中斷7，進行狀態復位，結束中斷。

5 變頻器設定[4]
　　　變頻器選用MASTERDRIVER 6SE71系列工程型變頻器，工作電機為永濟電機廠生產風冷方式的鼠籠式三相異步交流變頻電機，變頻器控制方式采用矢量控制控制，負載模式選為標準，通過變頻器進行電機識別后即可使用，通信接口對應接口板CUVC上的X101端子10(RS485P)，11(RS-485N)，電機起停控制位P554.1=6100，其余控制位(停車方式、旋轉方向等)依次類推。P734.1~16讀取需要采集的電機參數在變頻器中的連接字地址編號;P918.0/從站地址和PLC設定保持一致;P053=34(PMU+SST2);同時控制字的第十位必須為1來激活通信;再將通信所發控制字及給定發到接口地址……;同時在總線起端和末端接終端電阻。
同時為了降低電磁干擾，采用屏蔽的雙絞線，其中屏蔽線單端接地。

6 結束語
　　　通過使用和比較，采用USS自由口通信不需任何附加板，就可實現變頻器數據的存取，通信質量高，以低廉的成本實現自動化系統。從而可以大大減少開發和工程費用，和以前的繼電器控制相比，降低了系統的電氣復雜性(很多邏輯和保護功能都要靠繼電器間的相互鎖定來實現，實現復雜，故障率高，檢修時間長)，同時系統的邏輯性能得到較大的提高，提高了產品的的可靠性，降低了由電氣故障造成的停機時間