西門子S12電源模塊6SL3120-1TE21-0AA1詳解
計算機及通訊技術(shù)已成為工業(yè)環(huán)境中大部分解決方案的核心部分，其在系統(tǒng)中的比重正在迅速增加。在一個自動化系統(tǒng)中，交、直流調(diào)速器不僅僅作為一個單獨的執(zhí)行機構(gòu)，而是隨著其不斷的智能化，它們相互之間及同控制系統(tǒng)之間可以通過各種通訊方式結(jié)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(zhì)量高、成本低廉在自動化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文以USS自由口通信在石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)中的實際應(yīng)用為例，對自由口使用的地址分配，通信程序?qū)崿F(xiàn)進行了較詳細的分析，該思路不僅用于PLC來保證通信質(zhì)量，對于用高級語言在PC實現(xiàn)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(diào)速器采用的USS通訊協(xié)議是西門子公司為傳動系統(tǒng)開發(fā)的通訊協(xié)議，可支持交直流驅(qū)動器同PC或PLC之間建立通訊聯(lián)接，適用于規(guī)模較小的自動化系統(tǒng)。有以下特點:
(1) 用單一的、集成的系統(tǒng)來解決自動化問題。所有的西門子交、直流驅(qū)動器都可采用USS協(xié)議作為通信鏈路，原先的驅(qū)動器間是孤立的，僅有極少量通過硬件電路反饋信號。
(2) 數(shù)字化的信息傳遞，提高了系統(tǒng)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(zhì)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(shù)量，原系統(tǒng)中需要20芯控制電纜一般在4根以上，現(xiàn)在只需工作電源就可以，從而可以大大減少開發(fā)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(diào)速器有六個過程數(shù)據(jù)需刷新的系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)為單主站、主從存取方式。報文結(jié)構(gòu)具有參數(shù)數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)，前者用于改變調(diào)速器的參數(shù)，后者用于快速刷新調(diào)速器的過程數(shù)據(jù)，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(xié)議 [1]
(1) 協(xié)議概況
●Siemens驅(qū)動器所定義的USS協(xié)議，是Profibus通信協(xié)議的簡化，通過其總線可以連接31個節(jié)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(jié)構(gòu):從站回應(yīng)主站發(fā)來的報文并發(fā)送報文。也可以是廣播通訊方式:報文同時發(fā)送給所有的傳動裝置。
(2) 協(xié)議說明
所有數(shù)據(jù)報文都由14個字節(jié)組成，是標準的異步報文格式:1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，一個偶校驗位和一個停止位。數(shù)據(jù)報文的結(jié)構(gòu)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(xié)議報文描述
●STX STX是單字節(jié)的ASCⅡ STX字符(值為02),表示報文的開始。
●LGE LAE是單字節(jié)區(qū)域，表示報文中LAE區(qū)域后的字節(jié)數(shù)。
●ADR ADR是單字節(jié)區(qū)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(fā)送給總線上的所有驅(qū)動器，位0~4是驅(qū)動器總線地址。
●BCC BCC是單字節(jié)區(qū)域，對報文中該區(qū)域以前所有的字節(jié)進行異或校驗。
●IND IND是16位的區(qū)域，通用傳動裝置應(yīng)設(shè)為0。
●PKE PKE是16位的區(qū)域，用來控制傳動裝置的參數(shù)讀寫，定義如下:位0~10為參數(shù)號，位12~15為參數(shù)讀寫控制，如2038H，2代表讀參數(shù)，38H表示十進制ID為56的參數(shù)。
●VAL VAL是16位的區(qū)域，通過讀寫參數(shù)命令將參數(shù)值寫到對應(yīng)的參數(shù)ID中。
STW是16位的控制字區(qū)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(tài)字區(qū)域，表示傳動裝置不同的運行狀態(tài)。
●HSW/HIW HSW是設(shè)定電機速度的16位的區(qū)域。如4000H對應(yīng)額定速度的100%
HIW是讀取電機速度的16位區(qū)域，可以讀出電機速度。如當(dāng)前轉(zhuǎn)速=(HIW×額定速度)/4000H。
3 自由口設(shè)定
3.1 鉆機傳動系統(tǒng)設(shè)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(fā)電機帶動變速齒輪箱來調(diào)節(jié)絞車和泥漿泵的轉(zhuǎn)速，效率低下，耗能高，故障率高。隨著國際鉆機市場電驅(qū)動鉆機的推廣與普及，我國的鉆機經(jīng)歷了購買二手舊鉆機，進口新鉆機到自主生產(chǎn)的過程，在此基礎(chǔ)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(shù)字化的直流傳動設(shè)備，再到到高性能的具有通信功能的傳動設(shè)備;在鉆機實現(xiàn)自動化過程也經(jīng)歷了由繼電器到開關(guān)量PLC再到高性能PLC(模擬量+總線通訊)的過程，現(xiàn)階段鉆機設(shè)備配置以高性能PLC控制為主，通過通訊功能讀取數(shù)據(jù)和并根據(jù)工況改寫驅(qū)動器的相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣*的控制理論(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)就很容易的通過上位機實現(xiàn)，從而控制交直流驅(qū)動器實現(xiàn)調(diào)速的智能化。該系統(tǒng)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(tǒng)配置
3.2 自由口用戶數(shù)據(jù)存儲器[3]
在USS協(xié)議中，用戶數(shù)據(jù)存儲器分配如附表:
附表
驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定區(qū) VB0-VB39共40個字節(jié)
發(fā)送/接受緩沖區(qū) 從VB40開始，用戶自由分配
系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū) VB4022-VB4095共74個字節(jié)
其中驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定區(qū)主要完成從站數(shù)目(VB0)、每個從站LAE長度設(shè)定(VB1-VB31)、廣播傳送方式LAE(VB33)長度、傳送時間(VW34)，初始化發(fā)送/接受緩沖區(qū)首地址(VD36)(設(shè)定值為VB40-VB4021)，其中V表示可變、B為字節(jié)、W為字、D為雙字。
3.3 用戶數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)定
在USS協(xié)議中每個從站需要44個字節(jié)，發(fā)送/接受緩沖區(qū)各占22個字節(jié)(對應(yīng)從站+USS協(xié)議(發(fā)送+接受)+狀態(tài)位)，其中狀態(tài)位表示數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，在該系統(tǒng)中發(fā)送/接收首地址設(shè)為VB2000，用戶數(shù)據(jù)區(qū)以循環(huán)方式傳送數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)時地址如下:
只有發(fā)送緩沖區(qū):VB2220-2263，接受緩沖區(qū)同上
定義完數(shù)據(jù)區(qū)后，就可以根據(jù)每個地址的功能，在PLC編程時寫入相應(yīng)的控制字就可以完成控制功能。
3.4 通信功能設(shè)定
CPU處于STOP模式時，自由端口模式為禁止，建立與其它協(xié)議的通訊，只有當(dāng)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(shè)置，如:MOVB16#49，SMB30就將自由口0設(shè)為自由端口協(xié)議，波特率9600kbps，數(shù)據(jù)位為8，偶校驗。
4 程序編制[2][3]
系統(tǒng)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(huán)調(diào)用子程序功能
(2) SBR0:系統(tǒng)初始化
(3) SBR1:通訊中斷/事件調(diào)用(中斷0~中斷7，根據(jù)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)的傳送和接收功能)
(4) SBR2:按照前面的分配地址和要實現(xiàn)的功能編寫功能程序，實現(xiàn)要求的輸入輸出信號間的邏輯功能、數(shù)字濾波、PI調(diào)節(jié)，以及變頻器參數(shù)的讀寫，控制字和速度給定的發(fā)送，變頻器工作狀態(tài)的讀取等功能。
(5) 中斷0:完成發(fā)送/廣播的初始化，監(jiān)視發(fā)送過程、監(jiān)視發(fā)送延時、發(fā)送錯誤
